화학적 전위를 조정하여 그래핀 올리고머의 전자기 거동에 대한 유연한 제어

초록

이 연구에서 우리는 그래핀 올리고머의 전자기적 특성이 화학적 전위의 국부적 수정에 의해 크게 수정될 수 있음을 보여줍니다. 그래핀 올리고머의 다른 위치에 따른 화학적 전위 변화는 소광 스펙트럼과 전자기장 모두에 서로 다른 영향을 미칩니다. 전자기장의 위치를 유연하게 조정하는 것은 해당 위치에서 그래핀 나노디스크의 화학적 전위를 정밀하게 조정하여 달성할 수 있습니다. 이 작업에서 제안된 나노구조는 나노센싱, 광포집 및 광검출과 같은 그래핀 기반 플라즈몬 장치의 실제 응용으로 이어집니다.

소개

최근에는 전자기(EM) 거동을 제어할 수 있는 다양성으로 주목을 받는 메타물질(MM)을 기반으로 하는 서브파장 구성 요소 및 구조의 설계 및 제조가 증가하고 있습니다[1]. MM은 음의 굴절률[2], 비정상적 광투과율[3], 전자기 유도 투명도[4]를 포함하여 자연에 존재할 수 없는 고유한 현상을 지원합니다. MM의 독특한 특성으로 인해 MM으로 구성된 나노 장치는 나노 장치가 EM 거동을 조절하고 제어하는 뚜렷하고 유연한 능력을 가지고 있다는 더 두드러진 장점을 가지고 있으며, 이는 나노 장치의 개발을 고품질 및 통합 가능성으로 이끕니다. 플라즈몬 MM은 새로운 광전 특성을 달성하기 위해 표면 플라즈몬(SP)을 이용하는 메타물질의 한 종류입니다[5, 6]. SP는 금속-유전체 물질과 빛의 상호 작용에서 발생하는 금속 내 자유 전자의 진동입니다. 특정 상황에서 입사광과 표면 플라즈몬의 상호 작용은 금속-유전체 계면을 따라 전파하는 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP)으로 알려진 자체 유지 전파 전자기파를 생성할 수 있습니다[7]. SPP는 파장이 입사광보다 훨씬 짧기 때문에 서브파장 풋프린트가 있는 나노구조에 적합합니다[8]. 플라즈몬 MM을 때리는 빛은 SPP로 변환되어 공명 주파수에서 이러한 구조에 강한 필드 위치가 나타납니다. 플라즈몬 구조의 EM 속성은 주로 기하학적 구조에 의해 제어되므로 넓은 범위에 걸쳐 전기 및 자기 거동을 최적화할 수 있습니다[9,10,11,12]. 실제로 전자빔 리소그래피와 집속 이온빔 밀링은 평면 기판에 플라즈몬 구조를 제작하는 두 가지 일반적인 방법입니다. 우수한 EM 거동은 서브파장 거리로 분리된 빛의 파장보다 작은 특성을 가진 플라즈몬 구조의 고유한 특징에서 비롯되며, 센싱[13], 표면 강화 분광법[14], 비선형 광학 [15]. 가장 일반적인 플라즈몬 MM은 음의 실제 유전율을 나타내는 금과 은으로 구성됩니다[16]. 그러나 귀금속은 상대적으로 저항 손실이 크고 유연성이 낮아 구조가 고정되면 EM 거동을 더 이상 최적화할 수 없으므로 플라즈몬 구조를 기반으로 하는 나노소자의 개발이 제한됩니다[17, 18].

그래핀은 sp² 로 구성된 하나의 2차원 물질입니다. 벌집 격자 구조에서 탄소 원자의 혼성화. 그래핀의 광자뿐만 아니라 전자공학의 탁월한 거동으로 인해 다양한 연구 그룹에서 다양한 방법으로 그래핀을 조사하여 EM 필드의 더 낮은 손실, 더 높은 구속 및 조정성을 나타내는 플라즈몬 구조를 생성하고 있습니다. [19,20,21,22,23] . 그래핀은 테라헤르츠에서 중적외선 주파수까지 넓은 범위의 SPP를 수용할 수 있습니다[24,25,26]. 그래핀은 강한 광 구속을 가진 SP 때문에 2차원 영역에서 광물질 상호작용을 개선할 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있습니다[27]. 그래핀 올리고머는 구성 요소 간의 상호 작용을 통해 플라즈몬 분자(PM)를 구성하며, 강한 자기장 향상을 갖는 EM 필드는 화학 분자의 원자 커플링과 유사한 대칭을 따릅니다[28]. 그래핀의 화학적 잠재력을 변화시킴으로써 그래핀 PM은 고품질과 유연성에 도달할 수 있다[29]. 그러나 그래핀 나노구조가 EM 거동을 제어하기 위해 다른 위치에서 그래핀의 화학적 전위와 같은 더 조정 가능한 구조 매개변수가 있습니다. 보고된 대부분의 그래핀 나노구조체는 전체 구조의 화학적 전위 변화에 집중하는데, 이는 다른 위치에 있는 그래핀의 화학적 전위와 그래핀 나노구조체의 EM 거동 사이의 관계에 대한 설명이 부족하다. 제안된 그래핀 나노구조는 훨씬 더 뛰어난 EM 특성을 자극할 수 있으며 광범위한 플라즈몬 응용에 영향을 미칠 것입니다.

그래핀을 기반으로 한 PM의 효과 메커니즘을 확인하기 위해 13개의 동일한 크기의 그래핀 나노디스크로 구성된 그래핀 올리고머에 대한 수치 연구가 본 연구에서 의도적으로 부분 그래핀의 화학적 포텐셜을 변화시켜 체계적으로 수행되었습니다. D_12h의 그래핀 올리고머 대칭은 계산된 범위에서 두 개의 플라즈몬 모드를 유지할 수 있습니다. 그래핀 올리고머의 추가 활용은 그래핀의 국소 화학적 잠재력의 정확한 제어에 의존합니다. 그래핀 올리고머의 화학적 포텐셜을 선택적으로 변경함으로써 두 가지 고유한 플라즈몬 모드가 크게 조절됩니다. 두 가지 플라즈몬 모드에서 두드러진 그래핀 나노디스크의 화학적 잠재력을 조정하는 것은 각각 두 가지 플라즈몬 모드에 서로 다른 영향을 미칩니다. 두 플라즈몬 모드 사이의 교차 부분의 화학 포텐셜의 변화는 두 플라즈몬 공명을 강화하고 플라즈몬 모드의 퇴화로 이어집니다. 또한, 중심 그래핀 나노디스크의 화학적 포텐셜의 변화는 그래핀 올리고머의 EM 특성에도 상당한 영향을 미친다. 시뮬레이션된 결과는 그래핀 올리고머가 높은 조정성과 유연성을 가지고 있으며 2차원 광 구속을 조정할 수 있는 플라즈몬 나노소자를 설계하기 위한 새로운 자유도를 제공한다는 것을 보여줍니다.

시뮬레이트된 방법 및 모델

우리 모델에서 그래핀은 하나의 원자층 두께 ∆를 가진 하나의 박막으로 처리되고 복소 유전율 ε에 의해 모델링됩니다[22].

$$ \upvarepsilon =1+\frac{i{\sigma}_g{\eta}_0}{k_0\Delta}, $$ (1)

여기서 ∆ =0.334 nm, σ _g 는 그래핀의 복합 표면 전도도, ŋ ₀ =377 Ω은 여유 공간의 임펜던스를 나타내며 k ₀ =2π /λ 공기 중의 빛의 파동수이다. 복잡한 표면 전도도 σ _g 그래핀 단층의 구조는 Kubo의 공식에 의해 모델링되며, 이는 대역 내 전자-광자 산란 σ의 기여로 구성됩니다. _인트라 및 대역간 전자-전자 전이 σ _인터 [30],

$$ {\sigma}_g={\sigma}_{intra}+{\sigma}_{inter}, $$ (2)

어디에

$$ {\sigma}_{intra}=\frac{2{e}^2{k}_BT}{\pi {\mathrm{\hslash}}^2}\cdot \frac{i}{\omega + i{\tau}^{-1}}\left[\ln \left(2\cosh \left(\frac{\mu_c}{k_BT}\right)\right)\right], $$ (3) $ $ {\sigma}_{inter}=\frac{e^2}{4\mathrm{\hslash}}\left[\frac{\sinh \left(\frac{\mathrm{\hslash \upomega }}{ 2{k}_BT}\right)}{\cosh \left(\frac{\mu_c}{k_BT}\right)+\cosh \left(\frac{\mathrm{\hslash \upomega }}{2{k }_BT}\right)}-\frac{i}{2\pi}\ln \frac{{\left(\mathrm{\hslash}\omega +2{\mu}_c\right)}^2}{ {\left(\mathrm{\hslash}\omega -2{\mu}_c\right)}^2+{\left(2{k}_BT\right)}^2}\right]. $$ (4)

이 방정식에서 e는 전자의 전하입니다. ℏ 감소된 플랑크 상수, k_B 는 볼츠만 상수, T는 300K로 설정된 온도, τ는 0.5ps로 설정된 운동량 완화 시간, ω는 라디안 주파수, μ _ㄷ 는 그래핀의 화학적 잠재력입니다.

그래핀 나노디스크 어레이를 D_12h의 그래핀 올리고머에 통합합니다. 대칭성(그림 1a)을 사용하여 EM 동작을 조사합니다. 그래핀 올리고머는 같은 크기의 13개의 그래핀 나노디스크로 구성되며, 한 나노디스크는 중앙에 배치되고 나머지는 십이각형 대칭으로 둘러싸입니다. 부록 동심원의 반지름 R₀ 240 nm이고 개별 나노디스크의 반경 R₁ 50nm입니다. 다수의 그래핀 나노디스크로 구성된 그래핀 올리고머는 화학적 포텐셜을 변화시키는 유연한 선택에 장점이 있다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 그래핀 올리고머는 굴절률 n₁로 기술되는 공기로 둘러싸여 있습니다. =1이고 굴절률이 n₂인 실리카 기질에 부착 =1.5. 입사광은 그래핀 올리고머에 수직이고 편광은 y축을 따른다. 이론적으로 그래핀의 유효 굴절률은 다음과 같이 설명됩니다.

$$ {n}_{eff}=\frac{2i{\varepsilon}_{\mathrm{e} ff}{\varepsilon}_0c}{\sigma_g}. $$ (5)

여기서 ε _에프 환경 매체의 유효 유전율, ε ₀ 는 진공 유전율 및 c 는 진공에서 빛의 속도입니다. 방정식(2, 3, 4, 5)에 따르면 n _에프 μ의 함수입니다. _ㄷ 관계는 그림 1c와 d에 표시되어 있는데, 이는 제안된 구조의 공명이 그래핀의 화학적 전위를 조작하여 편리하게 수정될 수 있음을 의미합니다. |임 (n _효과 )|/|다시 (n _효과 )| 상당히 작습니다. 따라서 n_eff의 실수 부분은 주로 계산 결과와 n_eff의 허수부에 영향을 줍니다. 화학적 포텐셜이 변화하는 모델에는 거의 영향을 미치지 않습니다. 따라서 우리는 n_eff의 허수부의 효과를 무시합니다. 이 연구에서.

<그림>

아 대칭 D_12h를 갖는 그래핀 올리고머의 개략도 13개의 동일한 그래핀 디스크로 구성됩니다. ㄴ 그래핀 올리고머의 시뮬레이션 모델. 그래핀 올리고머는 n₂로 실리카 기질에 배치됩니다. =1.5이고 n₁의 공기로 둘러싸여 있습니다. =1. ㄷ , d n의 실수부와 허수부 _에프 0.4 ~ 0.8 eV 범위의 그래핀 화학 포텐셜 사용

그래핀 올리고머의 전기장 및 소광 스펙트럼은 상용 FEM(Finite Element Method) 소프트웨어인 COMSOL Multi-Physics, RF Module에서 계산됩니다. 소멸 단면 σ _내선 σ로 얻습니다. _내선 =σ _sc + σ _복근 , 여기서 σ _sc 산란 단면에 해당

$$ {\sigma}_{sc}=\frac{1}{I_0}\int \int \left(\overrightarrow{n}\cdot \overrightarrow{S_{sc}}\right) dS, $$ (6 )

및 흡수 단면 σ _복근 , 에 의해 결정됨

$$ {\sigma}_{abs}=\frac{1}{I_0}\int \int \int \kern0.5em QdV. $$ (7)

이 방정식에서 I₀ 는 사건 강도입니다. $ \overrightarrow{n} $는 플라즈몬 나노클러스터에서 바깥쪽을 가리키는 법선 벡터를 나타내고 $ \overrightarrow{S_{SC}} $는 산란장에 대한 포인팅 벡터를 나타냅니다. 식 (6)의 적분은 산란의 닫힌 표면에 적용됩니다. Q는 올리고머의 전력 손실 밀도입니다. 방정식 (7)의 적분은 체적에 적용됩니다. 소광 스펙트럼은 중적외선의 선택된 파장 범위에서 계산됩니다. PML(Perfectly Matched Layer)은 반사광 필드를 피하기 위해 제안된 나노구조 주위에 적용됩니다. 그래핀의 두께는 시뮬레이션 정확도를 보장하기 위해 최소 5개의 레이어로 메쉬됩니다.

시뮬레이션 결과 및 토론

플라즈몬 모드에서 그래핀 나노디스크의 국소 화학 전위 변화 효과

제안된 구조의 경우, 소멸 스펙트럼(그림 2)은 그래핀 올리고머에서 플라즈몬의 여기와 관련된 두 가지 두드러진 공명을 나타냅니다. 그래핀 올리고머는 그래핀 화학 전위 μ에 민감한 두 가지 플라즈몬 모드를 유지할 수 있습니다. _ㄷ . μ를 변경함으로써 _ㄷ 전체 그래핀 올리고머의 0.4 eV ~ 0.6 eV에서 두 개의 플라즈몬 공명이 강렬해지고 위치가 동시에 더 높은 주파수 범위로 이동합니다. 그래핀 올리고머에서 흡수의 뚜렷한 향상은 μ가 증가함에 따라 캐리어 밀도의 촉진에 기인합니다. _ㄷ 이것은 플라즈몬이 전자-정공 쌍(Landau 댐핑)과의 결합을 통해 소멸되는 것을 피하는 광학 갭을 생성합니다. 허용된 가상 전자-정공 쌍 전이의 증가는 소광 최대값을 강화하는 일관성 있게 결합된 그래핀 나노디스크의 상당한 상호작용을 발생시킵니다[21]. μ로 소광 스펙트럼을 선택합니다. _ㄷ =0.5eV를 벤치마크로 하고 A₀으로 표시된 두 개의 피크 및 B₀ 두 가지 다른 플라즈몬 모드를 나타내며 해당 전기장은 그림 2b에 나와 있습니다. 강한 집중된 전기장은 나노크기의 전자기 핫스팟으로 나타나며 소광 강화로 이어진다. 피크 A₀의 경우 , 핫스팟은 주로 상단과 하단의 8개의 나노디스크에 집중되며, 특히 나노구조의 가장 높은 위치와 가장 낮은 위치에 있는 4개의 나노디스크에 초점을 맞춥니다. 피크 B₀의 경우 , 핫스팟은 주로 왼쪽과 오른쪽의 8개의 나노디스크에 집중되며 가장 밝은 4개의 나노디스크는 피크 A_{0 . 피크 A₀의 다양한 전기장 분포를 기반으로 함 및 B₀ , 피크 A₀의 모드를 정의합니다. Y 모드와 피크 B의 모드로₀ 명확한 표현을 위해 X 모드로. Y 모드에서 4개의 가장 밝은 그래핀 나노디스크는 X 모드에서 매우 어둡고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 정사각형으로 구성된 또 다른 4개의 그래핀 나노디스크는 교차 부분으로 정의된 Y 모드와 X 모드 모두에서 상대적으로 밝다. 주변 그래핀 나노디스크를 화학적 전위가 다른 세 부분으로 나눕니다 μ _{ㄷ 1} , μ _{ㄷ 2} 그리고 μ _{ㄷ 3} 각각 (그림 3a 및 b에 표시). μ가 있는 나노디스크 _{ㄷ 2} 또는 μ _{ㄷ 3} Y 모드 또는 X 모드에서 가장 밝은 부분입니다. 교차 부분과 중심의 화학적 포텐셜 μ _{ㄷ 1} 다음 계산에서 0.5 eV를 유지합니다. 처음에는 μ _{ㄷ 2} 0.6 eV로 증가하고 나머지는 0.5 eV를 유지합니다(그림 3a 참조). 그럼 μ _{ㄷ 3} 0.6 eV로 증가하고 나머지는 0.5 eV를 유지합니다(그림 3b 참조). μ를 변경하여 _{ㄷ 2} 또는 μ _{ㄷ 3} 각각 0.6 eV까지 일련의 스펙트럼 변화가 그림 3c에 눈에 띄게 나타납니다. 단면 그래핀 나노디스크의 화학적 포텐셜을 변경하고 다른 매개변수를 일정하게 두면 전체 스펙트럼 모양의 유연한 재구성이 얻어지며 두 개의 공명 피크 높이의 체계적인 변화가 나타납니다. 도 3d에서, 변형 Y 모드 및 X 모드의 전기장이 상세하게 플롯된다. 그림 1c와 같이 n_eff의 실수부는 화학적 포텐셜에 반비례한다. 이에 따라 화학 포텐셜이 증가하면 입사광의 가둠이 약해집니다. 그래핀 올리고머에서 국부적인 화학적 전위 변화의 메커니즘은 화학적 전위의 증가가 빛과 그래핀 나노디스크 사이의 상호작용을 감소시키고 핫스팟을 주변 나노디스크로 밀어낸다는 것이다. 미는 방향이 강한 플라즈몬 공명의 위치에 있으면 공명이 현저하게 강화되고 그렇지 않으면 감소합니다. 이것은 국부적인 화학 전위 변화의 효과가 다른 모드의 전기장 분포에 의존한다는 것을 의미합니다. μ일 때 _{ㄷ 2} 0.6 eV로 증가, 피크 A₀ 현저하게 감소하고 피크 A로의 적색 이동₁ 핫스팟이 주로 교차 부분에 집중되는 입사광에 대한 4개의 가장 밝은 그래핀 나노디스크의 약한 구속 때문입니다. 동시에 피크 B₀ 크게 증가하고 피크 B₁로 파란색 이동 , 이는 μ _{ㄷ 2} X 모드를 충분히 향상시킵니다. μ의 경우 _{ㄷ 3} =0.6 eV, 반대입니다. 피크 A₀ 약간 증가하고 피크 A₂로 빨간색 이동 μ로 Y 모드의 향상으로 인해 발생 _{ㄷ 3} 증가. 그 동안 피크 B₀ 파란색이 피크 B₂로 이동합니다. 그리고 피크 A₁와 일치하는 교차 부분의 핫스팟 농도에 따라 감소합니다. .}

<그림>

아 0.4 ~ 0.6 eV 범위의 화학 포텐셜을 갖는 그래핀 올리고머의 소멸 스펙트럼. ㄴ 두 개의 공명 피크에서 시뮬레이션된 전기장(|E|)

<그림>

아 , b 그래핀 올리고머의 화학적 전위 변화가 다른 선택적인 그래핀 나노디스크의 개략도. ㄷ 다른 화학적 잠재력을 가진 소멸 스펙트럼. d 공명 피크 A₀에서 시뮬레이션된 전기장(|E|) , A₁ 그리고 A₂ , B₀ , B₁ 및 B₂

Y 모드와 X 모드의 이러한 변형은 소광 스펙트럼의 하강 또는 향상을 유발합니다. 소광 곡선에 대한 유연한 제어는 그래핀 나노디스크의 화학적 전위를 선택적으로 추가하여 발생하는 Y 모드 및 X 모드의 EM 동작을 조정하여 달성되며, 이는 다양한 기능을 가진 그래핀 나노장치를 설계하기 위한 새로운 경로를 엽니다. 예를 들어, μ _{ㄷ 2} =0.6eV, 피크 A₀ 피크 B₀ 동안 낮아짐 크게 강화되어 그래핀 올리고머가 고효율 흡수제에 적합합니다. 반대로 μ일 때 _{ㄷ 3} =0.6eV, 두 피크 값이 가깝게 접근하여 이중 대역 나노 센서 설계에 편리합니다.

교차 부분의 화학 포텐셜을 높여 모드 향상

두 플라즈몬 모드의 전자기장의 경우 두 플라즈몬 모드 사이에 4개의 그래핀 나노디스크로 구성된 교차 부분이 나타납니다. 도 3d에 도시된 바와 같이, 전기장은 화학 포텐셜을 국부적으로 변화시켜 교차 부분의 4개의 그래핀 나노디스크에 주로 집중된다. 따라서 교차 부분의 화학적 포텐셜은 그래핀 올리고머의 EM 특성과 소광 스펙트럼의 프로파일에 상당한 영향을 미친다고 생각합니다. 그래핀 올리고머의 화학적 잠재력을 재분배합니다. 교차 부분에 있는 4개의 그래핀 나노디스크의 화학적 포텐셜은 μ로 설정됩니다. _{ㄷ 2} . 다른 나노디스크의 화학적 잠재력 μ _{ㄷ 1} 0.5 eV로 유지됩니다(그림 4a 참조). 국부적인 화학 포텐셜 변화의 기본 메커니즘에서 교차 부분의 화학 포텐셜이 증가하면 Y 모드와 X 모드가 모두 강화됩니다. μ가 증가함에 따라 Fig. 4b와 같이 _{ㄷ 2} , 소멸 스펙트럼이 크게 수정됩니다. μ일 때 _{ㄷ 2} 0.6 eV로 증가하면 두 공진 피크 모두 μ에 비해 프로모션이 나타납니다. _{ㄷ 2} =0.5eV. Y 모드의 공명 피크 주변에 새로운 공진 피크가 나타남에 유의하십시오. μ일 때 _{ㄷ 2} 0.7 eV로 더 증가하면 두 개의 공명 피크가 더 강해지고 새로운 공명 피크가 분명히 Y 모드의 공명 피크 주변에 나타납니다. 공명 피크의 강력한 향상에 대한 설명은 μ _{ㄷ 2} Y 모드와 X 모드를 모두 효율적으로 강화합니다. μ 증가 _{ㄷ 2} Y 모드와 X 모드에서 각각 4개의 그래핀 나노디스크의 플라즈몬 진동을 촉진합니다. 두 개의 공명 피크로 분할되는 Y 모드의 공명 피크는 퇴화 과정입니다. 도 4c에 도시된 바와 같이, I 및 II로 표시된 두 개의 공진 피크는 동일한 전기장을 갖지만 전기장의 성분이 다르다. 피크 I 및 II의 Ey 방향은 서로 수직이며, 이는 Y 모드에서 퇴화하는 두 개의 플라즈몬 모드를 나타냅니다. 두 개의 새로운 플라즈몬 모드는 원래 Y 모드에서 병합되고 두 모드는 μ로 분리되기 시작합니다. _{ㄷ 2} 증가. 또한, μ 두 축퇴 공명 피크 _{ㄷ 2} =0.6eV는 μ의 공진 피크보다 훨씬 큽니다. _{ㄷ 2} =0.5eV. 이와 같이 교차 부분의 그래핀 나노디스크를 선택하여 화학적 포텐셜을 높임으로써 소광 스펙트럼의 모든 공명 피크를 개선할 수 있습니다. 적응형 그래핀 나노디스크의 화학적 포텐셜을 선택적으로 변화시켜 그래핀 나노디스크의 흡수를 향상시키는 것이 제안되며, 이는 고효율로 광흡수가 가능한 플라즈몬 나노소자를 설계하는 데 도움이 됩니다.

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아 교차 부분의 화학적 잠재력을 변경하기 위해 다른 화학적 잠재력을 가진 선택적인 그래핀 나노디스크의 개략도. ㄴ 교차 부분의 화학적 포텐셜이 0.5 eV에서 0.7 eV로 증가하는 소멸 스펙트럼. ㄷ 공명 피크 I 및 II에서 전기장(|E|) 및 y 성분(Ey)의 전기장

중앙 나노디스크의 화학적 잠재력 효과

그래핀 올리고머에 도입된 중심 그래핀 나노디스크는 나노구조가 더 많은 유연성을 가질 수 있도록 하고 다른 위치에서 국부적 화학 변화의 영향을 추가로 조사하는 것을 목표로 합니다. 중심 그래핀 나노디스크와 주변 그래핀 나노디스크 사이의 거리가 멀기 때문에 중심 그래핀 나노디스크는 두 가지 플라즈몬 모드에서 다른 그래핀 나노디스크와 결합할 수 없다. 이 섹션에서는 중심 그래핀 나노디스크의 화학적 포텐셜을 μ로 설정합니다. _{ㄷ 2} . 기타는 μ로 설정됩니다. _{ㄷ 1} 0.5 eV를 유지합니다(그림 5a 참조). 중심 그래핀 나노디스크 μ의 화학적 잠재력 변화 _{ㄷ 2} 지오메트리를 변경하지 않고 그래핀 올리고머의 EM 필드를 수정할 수 있습니다. μ 증가에 따른 결과 _{ㄷ 2} 도 5b 및 c에 도시되어 있다. μ 증가 _{ㄷ 2} 중앙 그래 핀 나노 디스크의 플라즈몬 진동을 향상시킵니다. 그러나 μ가 증가하면 _{ㄷ 2} 상대적으로 작고 중심 그래핀 나노디스크의 발진기 강도는 새로운 플라즈몬 모드를 지원하고 고유 모드에 영향을 미치기에 충분하지 않으므로 소광 스펙트럼 μ _{ㄷ 2} =0.6eV는 μ와 비교하여 거의 변화가 없습니다. _{ㄷ 2} =0.5eV, 여기서 두 개의 공진 피크가 여전히 나타납니다(그림 5b 참조). μ일 때 _{ㄷ 2} 큰 값(0.8 eV)에 도달하면 소멸 스펙트럼에서 새로운 공명 피크가 분명히 나타납니다(그림 5c 참조). 플라즈몬 진동의 엄청난 개선은 소멸 스펙트럼의 프로파일을 근본적으로 바꿉니다. 새로운 공명 피크는 입사광과 중심 그래핀 나노디스크 사이의 강한 상호작용에서 비롯되며, 이 중 EM 필드는 중심 모드로 정의되는 중심 그래핀 나노디스크에 주로 집중됩니다. 중심 모드가 지원하는 공명 피크는 두 개의 고유 공명 피크보다 훨씬 큰 반면, 두 개의 고유 공명 피크는 소광 스펙트럼에서 크게 억제되고 심지어 사라집니다. μ의 효과 _{ㄷ 2} 중심 그래핀 나노디스크가 타고난 플라즈몬 모드에 포함되어 있지 않기 때문에 앞서 논의한 효과와 다릅니다. μ의 효과 _{ㄷ 2} 서두에서 논의된 전체 그래핀 올리고머의 화학적 포텐셜을 변경하는 것으로 구성됩니다. 이러한 방식으로 μ를 증가시키면 _{ㄷ 2} , 입사광을 효율적으로 흡수할 수 있는 새로운 플라즈몬 장치를 설계할 수 있습니다. 앞서 언급한 연구와 결합하여 다양한 위치에서 그래핀 나노디스크의 화학적 전위를 정밀하게 조정함으로써 전자기장의 위치를 유연하게 조정할 수 있습니다.

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아 중심 그래핀 나노디스크의 화학적 잠재력을 변화시키기 위해 다른 화학적 잠재력을 가진 선택적인 그래핀 나노디스크의 개략도. ㄴ 중심 그래핀 나노디스크 μ의 화학적 포텐셜을 갖는 그래핀 올리고머의 소멸 스펙트럼 _{ㄷ 2} =0.5eV 및 μ _{ㄷ 2} =0.6eV. ㄷ 중심 그래핀 나노디스크 μ의 화학적 포텐셜을 갖는 그래핀 올리고머의 소멸 스펙트럼 _{ㄷ 2} =0.8eV. 삽입은 공명 피크에서 전기장(|E|)을 보여줍니다.

실제로, 그래핀의 연속 원자 단일층은 먼저 CH₄를 사용하여 최적화된 화학 기상 증착 방법을 사용하여 성장됩니다. 탄소원으로. 그런 다음 그래핀 필름은 라만 측정에 의해 단층으로 결정됩니다. 전자빔 레지스트로 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA)를 사용한 전자빔 리소그래피를 사용하여 그래핀 필름을 패턴화하여 제안된 나노구조를 생성하고 노출된 영역을 산소 플라즈마에 의해 에칭하여 그래핀의 패턴을 보호합니다. 아세톤을 사용하여 후속 리프트 오프와 함께 PMMA 층에 의해. 그런 다음 장치를 테스트할 준비가 되었습니다. 화학적 전위는 화학적 및 정전기적 도핑을 조작하여 조정할 수 있습니다. 화학적 도핑의 경우 필요한 그래핀 나노디스크를 HNO₃에 노출시켜 국소 화학적 전위 변화를 실현할 수 있습니다. 증기와 동시에 다른 그래핀 나노디스크와 HNO₃ 사이의 접촉 방지 증기. 정전 도핑의 경우 적절한 상단 게이트 구성은 상단 게이트 전압을 공급하여 그래핀의 화학적 전위를 국부적으로 조작할 수 있습니다.

결론

결론적으로, 우리는 나노 스케일에서 그래핀의 화학적 잠재력을 변화시켜 EM 거동과 스펙트럼 선 모양을 수정하는 그래핀 올리고머의 다양성을 입증했습니다. 특성은 다양한 화학 포텐셜의 전기장 및 소멸 스펙트럼에서 요약됩니다. 첫째, Y 모드와 X 모드에서 각각 2개의 그래핀 나노디스크의 화학적 포텐셜을 변경함으로써 소광 스펙트럼에서 2개의 공명 피크의 유연한 변화가 나타납니다. 2개의 공명 피크는 그래핀 올리고머의 다른 화학적 포텐셜을 변경하여 향상되거나 감소될 수 있습니다. 둘째, 교차 부분의 화학 포텐셜을 높이면 두 개의 공명 피크가 모두 강화되고 Y 모드의 변성이 발생합니다. 셋째, 중심 그래핀 나노디스크의 높은 화학적 포텐셜은 강한 공명 피크를 지원하고 동시에 두 개의 고유한 공명 피크를 억제할 수 있습니다. 화학적 전위에 대한 그래핀 올리고머의 의존성은 기하학을 수정하지 않고 화학적 전위로 그래핀 나노구조의 EM 거동을 수정할 수 있음을 시사합니다. 그래핀 나노구조를 기반으로 한 이전의 연구는 전체 그래핀의 화학적 포텐셜을 변경하여 하나의 흡수 피크만 변경할 수 있었지만[19,20,21,22,23], 본 논문에서 그래핀의 화학적 포텐셜을 변경하는 방법은 추가로 스펙트럼을 조정할 수 있습니다. EM 현상을 능가하는 유연성을 제공합니다. 실제 응용 분야에서 우리의 연구는 그래핀 나노구조의 화학적 잠재력을 조정하여 그래핀 플라즈몬을 수정하기 위한 새로운 자유도를 제공합니다. 그래핀 나노구조는 2차원의 빛으로 EM 거동을 배양할 수 있는 손쉬운 플랫폼을 제공하며, 이는 나노센싱, 빛 트래핑 및 광검출을 위한 그래핀 기반 플라즈몬 나노소자의 설계를 위한 길을 열어줍니다.

약어

EM:: 전자기
MM:: 메타물질
PML:: 완벽하게 일치하는 레이어
PM:: 플라즈몬 분자
SPP:: 표면 플라즈몬 극성
SP:: 표면 플라즈몬

역미셀 합성을 통한 나노알기네이트:독소루비신 캡슐화 및 유방암 세포독성 황금 나노 입자의 생물 제조 및 세포 독성 평가를 위한 쑥, 마치현 및 심상추 추출물의 항산화 잠재력

나노물질