Effiziente Nahinfrarot-Optische Modulation via Graphen-Interbandübergang gekoppelt an Metamaterial-Magnetresonanz

Zusammenfassung

Das Design leistungsstarker elektromagnetischer Wellenmodulatoren ist für den Fortschritt der optischen Kommunikationstechnologie erforderlich. In dieser Arbeit untersuchen wir, wie die Amplitude elektromagnetischer Wellen im Nahinfrarotbereich effizient moduliert werden kann, durch Wechselwirkungen zwischen dem Interbandübergang von Graphen und der magnetischen Dipolresonanz in Metamaterialien. Die Reflexionsspektren von Metamaterialien könnten im Wellenlängenbereich unterhalb des Interbandübergangs signifikant reduziert werden, weil die verstärkten elektromagnetischen Felder von der magnetischen Dipolresonanz die Lichtabsorption in Graphen stark erhöhen. Die maximale Modulationstiefe der Reflexionsspektren kann etwa 40 % in der Nähe der Resonanzwellenlänge des magnetischen Dipols erreichen, wenn der Interbandübergang der magnetischen Dipolresonanz nahekommt, indem eine externe Spannung angelegt wird, um die Fermi-Energie von Graphen zu ändern.

Hintergrund

Dynamisches Steuern der spektralen Eigenschaften elektromagnetischer Wellen durch externe Stimuli wie mechanische Kraft, Temperaturänderung, elektrische Spannung und Laserstrahl hat zunehmendes Interesse geweckt, wegen vieler Anwendungen in den Bereichen holographische Display-Technologie, Hochleistungs-Sensing und optische Kommunikation. In den vergangenen Jahren wurde viel Aufwand betrieben, um die Transmissions-, Reflexions- oder Absorptionsspektren elektromagnetischer Wellen aktiv zu manipulieren, was auf elektrisch abstimmbarer Oberflächenleitfähigkeit von Graphen basiert, in einem sehr weiten Frequenzbereich einschließlich Mikrowelle, Terahertz (THz), Infrarot und sichtbarem Bereich. Solche graphenbasierte aktive Manipulation elektromagnetischer Wellen unter externem elektrischem Stimulus ohne Neubau von Strukturen zielt darauf ab, Amplitude, Phase und Polarisation elektromagnetischer Wellen effizient zu modulieren. Die drei Arten von elektromagnetischen Wellenmodulatoren sind am wichtigsten für Signalverarbeitung in Freiraum-optischer Kommunikation. Im fernen Infrarot- und THz-Regime umfasst die Oberflächenleitfähigkeit von Graphen nur den Beitrag des Intrabands, und Graphen hat eine effektive dielektrische Funktion, die mit dem Standard-Drude-Modell beschrieben werden kann. Daher unterstützen nanostrukturierte Graphen bei niedrigeren Frequenzen, sehr ähnlich zu Edelmetallen (z.B. Ag und Au), auch lokalisierte oder delokalisierte Oberflächenplasmonenresonanzen mit großer elektromagnetischer Feldverstärkung, was breit eingesetzt wurde, um Licht-Materie-Wechselwirkungen für effiziente Modulation elektromagnetischer Wellen zu stärken. Zum Beispiel präsentierten Sensale-Rodriguez et al. 2012 theoretisch Reflexionsmodulatoren mit exzellenter Leistung bei THz-Frequenz, indem sie plasmonische Effekte in Graphen-Mikrobändern nutzten. Im sichtbaren und nahinfraroten Regime dominiert der Interband-Beitrag die Oberflächenleitfähigkeit von Graphen, deren komplexe Permittivität einen positiven Realteil hat. Also bei höheren Frequenzen unterstützt Graphen selbst keine Oberflächenplasmonenresonanzen mehr, sondern verhält sich mehr wie ein ultradünner dielektrischer Film bei Lichtinteraktion. In dieser Situation werden häufig verschiedene hochwertige Resonanzmoden, die in anderen nanostrukturierten Materialien unterstützt werden, erforscht, um elektromagnetische Wellen elektrisch zu modulieren, mit Hilfe der gate-kontrollierten Fermi-Energie von Graphen. Zum Beispiel untersuchten Yu et al. theoretisch die Amplitudenmodulation von sichtbarem Licht mit Graphen, indem sie Fabry-Perot-Interferenz, Mie-Moden in dielektrischen Nanosphären mit hohem Brechungsindex und Oberflächengitterresonanzen in einem periodischen Array von Metallnanopartikeln nutzten. Im vergangenen Jahrzehnt wurde magnetische Resonanz in Metamaterialien extensiv und intensiv untersucht, um perfekte Absorber elektromagnetischer Wellen zu erreichen. Bis jetzt gibt es jedoch nur wenige Studien zu optischen Modulatoren, die auf magnetischer Resonanz in Metamaterialien mit eingelegtem Graphen-Monolayer basieren.

Wir werden eine effiziente Methode vorschlagen, um die Reflexionsspektren elektromagnetischer Wellen im Nahinfrarotbereich zu modulieren, indem wir den Interbandübergang von Graphen an die magnetische Dipolresonanz in Metamaterialien koppeln. Es wird gefunden, dass die Reflexionsspektren von Metamaterialien im Wellenlängenbereich unterhalb des Interbandübergangs von Graphen weitgehend reduziert werden können, weil die verstärkten elektromagnetischen Felder von der magnetischen Dipolresonanz die Lichtabsorption in Graphen stark erhöhen. Die maximale Modulationstiefe der Reflexionsamplitude kann etwa 40 % in der Nähe der Resonanzwellenlänge des magnetischen Dipols erreichen, wenn der Interbandübergang allmählich an die breitbandige magnetische Dipolresonanz heranreicht, indem eine externe Spannung angelegt wird, um die Fermi-Energie von Graphen zu ändern.

Methoden

Wir zeigen schematisch in Abb. 1 den Baustein der untersuchten Metamaterialien für effiziente Reflexionsmodulation im Nahinfrarotbereich, durch Wechselwirkungen zwischen der magnetischen Dipolresonanz und dem Interbandübergang von Graphen. Wir führen numerische Berechnungen mit dem kommerziellen Softwarepaket "EastFDTD" durch. Die Siliciumdioxid-Schicht hat einen Brechungsindex von 1,45, und die Silbernano-Strips und das Substrat haben eine experimentelle dielektrische Funktion. Graphen hat eine relative Permittivität, berechnet durch folgende Formel:

$$ {\displaystyle \begin{array}{l}{\sigma}_{\mathrm{intra}}=\frac{i{e}^2{k}_BT}{\pi {\hslash}^2\left(\omega +i/\tau \right)}\left(\frac{E_f}{k_BT}+2\ln \left({e}^{-\frac{E_f}{k_BT}}+1\right)\right)\\ {}{\sigma}_{\mathrm{inter}}=\frac{i{e}^2}{4\pi \mathit{\hslash}}\ln \left(\frac{2{E}_f-\left(\omega +i/\tau \right)\hslash }{2{E}_f+\left(\omega +i/\tau \right)\hslash}\right)\\ {}\sigma ={\sigma}_{i\mathrm{ntra}}+{\sigma}_{\mathrm{inter}}\\ {}{\varepsilon}_g=1+ i\sigma /\left({\varepsilon}_0\omega {t}_g\right),\end{array}} $$

wo σ_intra und σ_inter die Intraband- und Interband-Terme der Oberflächenleitfähigkeit von Graphen sind, τ die Elektron-Phonon-Relaxationszeit, E_f die Fermi-Energie, und t_g die Graphen-Dicke. Die untersuchten Metamaterialien könnten im Experiment mit Hilfe fortschrittlicher Nanofabrikationstechnologie realisiert werden. Zunächst werden der Silbersubstrat und die Siliciumdioxid-Schicht durch thermische Verdampfung hergestellt. Dann wird das Monolayer-Graphen auf die Siliciumdioxid-Oberfläche durch chemische Gasphasenabscheidung aufgebracht. Schließlich wird das periodische Array von Silbernano-Strips durch Elektronenstrahl-Lithografie gefertigt.

Ergebnisse und Diskussion

Wir diskutieren zunächst die Reflexionsspektren von Metamaterialien ohne Graphen, wie durch die schwarze Linie und Quadrate in Abb. 2a gezeigt. Eine breite Reflexionssenke bei 1210 nm wird beobachtet, die mit einem magnetischen Dipol zusammenhängt. Wenn Graphen in Metamaterialien eingelegt wird, wird die Reflexion für Wellenlängen kleiner als 1150 nm (die Position des Interbandübergangs in Graphen) weitgehend reduziert, wie durch die rote Linie und Kreise in Abb. 2a gezeigt. Der Grund ist, dass die verstärkten elektromagnetischen Felder von der Resonanzerregung des magnetischen Dipols die Lichtabsorption von Graphen enorm erhöhen. Entsprechend wird die grapheninduzierte Modulationstiefe der Reflexionsspektren allmählich von etwa 11 auf 28 % zunehmen, wenn die Lichtwellenlänge von 1000 nm auf die Interbandübergangsposition erhöht wird, wie in Abb. 2b gezeigt. Die Modulationstiefe ist allgemein definiert als (R - R₀)/R₀, wo R und R₀ die Reflexionsspektren mit und ohne in Metamaterialien eingelegtes Graphen sind.

Um zu demonstrieren, dass die breite Reflexionssenke relevant für einen magnetischen Dipol ist, plotten wir in Abb. 3 die elektromagnetischen Felder auf der xoz-Ebene bei der Wellenlänge von 1210 nm. Die elektrischen Felder sind hauptsächlich um die Kanten der Silbernano-Strips verteilt, und die magnetischen Felder sind weitgehend in den Siliciumdioxid-Bereich unter den Silbernano-Strips lokalisiert. Die Feldverteilung ist die typische Eigenschaft einer magnetischen Dipolresonanz. Zwischen dem Silbersubstrat und einzelnen Nanostrip produziert die plasmonische Nahfeld-Hybridisierung anti-parallele Ströme, wie durch zwei schwarze Pfeile in Abb. 3b angezeigt. Die anti-parallelen Ströme können einen magnetischen Moment M induzieren, der dem einfallenden Magnetfeld entgegenwirkt, um die magnetische Dipolresonanz zu bilden. Die Resonanzwellenlänge hängt stark von der Breite w der Silbernano-Strips ab, was einen offensichtlichen Rotverschiebung zeigt, wenn w erhöht wird.

Die Position des Interbandübergangs kann bequem abgestimmt werden, wenn eine externe Spannung angelegt wird, um Fermi-Energie E_f zu ändern. Die Positionseinstellbarkeit des Interbandübergangs ist sehr hilfreich, um die Reflexionsspektren effizient zu kontrollieren. Für E_f Erhöhung von 0,46 auf 0,58 eV verschiebt sich der Interbandübergang schnell blau, wie durch offene Kreise in Abb. 4a gezeigt. Gleichzeitig wird die Reflexion im Wellenlängenbereich unterhalb des Interbandübergangs spürbar reduziert. In der Nähe der Resonanzwellenlänge des magnetischen Dipols wird die Reflexion auf ein Minimum von etwa 0,55 reduziert, wenn der Interbandübergang allmählich so abgestimmt wird, dass er die breitbandige magnetische Dipolresonanz kreuzt. Abb. 4b zeigt den grapheninduzierten Reflexionsmodulationseffekt für verschiedene E_f. Mit abnehmendem E_f wird die Modulationstiefe der Reflexionsspektren größer und hat ein Maximum von fast 40 %, wenn E_f = 0,46 eV. Darüber hinaus wird der abstimmbare Wellenlängenbereich auch viel breiter, wegen der kontinuierlichen Rotverschiebung des Interbandübergangs, wenn E_f verringert wird. Allerdings werden im Wellenlängenbereich über dem Interbandübergang die Reflexionsspektren nicht moduliert im Vergleich zum Fall ohne Graphen, und so ist die Modulationstiefe fast null.

Der Interbandübergang ist eng mit Fermi-Energie E_f verbunden, was vollständig als scharfes spektrales Merkmal in der Permittivität ε_g von Graphen manifestiert werden kann. In Abb. 5 geben wir die Real- und Imaginärteile von ε_g für verschiedene E_f. Für jedes E_f existiert ein schmaler Peak im Realteil von ε_g, und entsprechend erscheint ein abruptes Absinken im Imaginärteil von ε_g. Mit abnehmendem E_f rotverschiebt sich ein solches scharfes spektrales Merkmal offensichtlich. Im Wellenlängenbereich auf der rechten Seite des abrupten Absinkens ist der Imaginärteil von ε_g sehr klein. Deshalb werden die Reflexionsspektren für Wellenlängen über dem Interbandübergang nicht moduliert. Die Positionsabhängigkeit des Interbandübergangs auf Fermi-Energie E_f wird in Abb. 6 gezeigt. Wir können klar sehen, dass die Peak-Positionen des Realteils von ε_g in exzellenter Übereinstimmung mit denen sind, die durch offene Kreise in Abb. 4a angezeigt werden.

Schlussfolgerung

Wir haben numerisch eine Methode demonstriert, um die Reflexionsspektren elektromagnetischer Wellen im Nahinfrarotbereich effizient zu modulieren, indem wir den Interbandübergang von Graphen an die magnetische Dipolresonanz in Metamaterialien koppeln. Es wurde gefunden, dass die Reflexionsspektren im Wellenlängenbereich unterhalb des Interbandübergangs von Graphen weitgehend reduziert werden können, weil die verstärkten elektromagnetischen Felder von der magnetischen Dipolresonanz die Lichtabsorption in Graphen stark erhöhen. Die maximale Modulationstiefe der Reflexionsspektren kann etwa 40 % in der Nähe der Resonanzwellenlänge des magnetischen Dipols erreichen, wenn der Interbandübergang in der Nähe der magnetischen Dipolresonanz ist, indem eine externe Spannung angelegt wird, um die Fermi-Energie von Graphen zu ändern. Der in dieser Arbeit präsentierte Reflexionsmodulationseffekt kann potenzielle Anwendungen in optischen Kommunikationssystemen finden.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt vollständig verfügbar.