메타물질에서 그래핀의 대역간 전이를 자기 공명으로 결합하여 효율적인 광학 반사 변조

초록

광통신 기술의 발전을 위해서는 강력한 전자파 변조기의 설계가 필요하다. 본 연구에서는 그래핀의 대역간 전이와 메타물질의 자기 쌍극자 공명 간의 상호 작용을 통해 근적외선 영역에서 전자기파의 진폭을 효율적으로 변조하는 방법을 연구합니다. 자기 쌍극자 공명으로 인한 전자기장이 그래핀의 광 흡수를 크게 증가시키기 때문에 메타 물질의 반사 스펙트럼은 대역 간 전이 아래의 파장 범위에서 크게 감소할 수 있습니다. 반사 스펙트럼의 최대 변조 깊이는 외부 전압이 인가되어 그래핀의 페르미 에너지가 변경될 때 대역 간 전이가 자기 쌍극자 공명에 접근하기 위해 자기 쌍극자의 공명 파장 근처에서 약 40%에 이를 수 있습니다.

배경

기계적 힘, 온도 변화, 전압, 레이저 빔과 같은 외부 자극에 의해 전자파의 스펙트럼 특성을 동적으로 제어하는 ​​것은 홀로그램 디스플레이 분야에서 많은 응용으로 인해 증가하는 관심을 받고 있습니다[1,2,3,4]. 기술, 고성능 감지 및 광통신. 지난 몇 년 동안 마이크로파를 포함한 매우 넓은 주파수 범위에서 그래핀의 전기적으로 조정 가능한 표면 전도도를 기반으로 하는 전자파의 투과, 반사 또는 흡수 스펙트럼을 능동적으로 조작하기 위해 많은 노력이 기울여졌습니다[5, 6] , 테라헤르츠(THz) [7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28, 29,30,31,32,33], 적외선 [34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52 적외선 ,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65] 및 가시적 체제[66,67,68,69]. 이러한 그래핀 기반의 전자파 능동 조작은 재구축 관련 구조 없이 외부 전기 자극을 받아 진폭을 효율적으로 조절하는 것을 목표로 합니다[5, 7,8,9,10,11,12,13,14,15, 16,17,18,19,20,21, 34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52, 53,54,55,56,57, 66,67,68,69,70,71,72], 단계 [6, 22,23,24,25,26,27,28, 58,59,60,61 ,62] 및 전자파의 편광 [29,30,31,32,33, 63,64,65]. 세 가지 종류의 전자파 변조기는 자유 공간 광통신에서 신호 처리에 가장 중요합니다[1,2,3,4]. 원적외선 및 THz 영역에서 그래핀의 표면 전도도는 대역 내 기여만 포함하며 그래핀은 표준 Drude 모델로 설명할 수 있는 효과적인 유전 기능을 가지고 있습니다[27]. 따라서 귀금속(예:Ag 및 Au)과 매우 유사한 더 낮은 주파수에서 나노구조 그래핀은 또한 빛을 강화하기 위해 널리 사용되어 온 큰 전자기장 향상으로 국부적 또는 비편재화된 표면 플라즈몬 공명을 지원할 수 있습니다. 전자기파의 효율적인 변조를 위한 물질 상호 작용. 예를 들어, 2012년 Sensale-Rodriguez et al. 이론적으로 그래핀 마이크로 리본의 플라즈몬 효과를 이용하여 THz 주파수에서 우수한 성능을 가진 반사율 변조기를 제시했습니다[9]. 가시광선 및 근적외선 영역에서 대역간 기여는 복소 유전율이 양의 값의 실수 부분을 갖는 그래핀의 표면 전도도를 지배합니다. 따라서 더 높은 주파수에서 그래핀 자체는 더 이상 표면 플라즈몬 공명을 지원하지 않지만 빛과 상호 작용할 때 초박형 유전체 필름처럼 행동합니다. 이 상황에서 다른 나노 구조 재료에서 지원되는 다양한 고품질 공진 모드는 종종 그래핀의 게이트 제어 페르미 에너지의 도움으로 전자기파를 전기적으로 변조하기 위해 탐구됩니다. 예를 들어, Yu et al. 이론상으로는 Fabry-Perot 간섭, 고굴절률을 갖는 유전체 나노구체의 Mie 모드, 주기적 금속 나노입자 배열의 표면 격자 공명을 활용하여 그래핀을 사용한 가시광선의 진폭 변조를 연구했습니다[67]. 지난 10년 동안 메타 물질의 자기 공명은 전자파의 완벽한 흡수체를 달성하기 위해 광범위하고 집중적으로 연구되었습니다[74,75,76,77,78]. 그러나 지금까지 그래핀 단층이 삽입된 메타물질의 자기공명 기반 광변조기에 대한 연구는 소수에 불과하다[34].

그래핀의 대역간 전이를 메타물질의 자기 쌍극자 공명과 결합하여 근적외선 영역에서 전자기파의 반사 스펙트럼을 변조하는 효율적인 방법을 제안합니다. 자기 쌍극자 공명으로 인한 전자기장이 그래핀의 광 흡수를 크게 증가시키기 때문에 메타 물질의 반사 스펙트럼은 그래핀의 대역 간 전이 아래의 파장 범위에서 크게 감소할 수 있음이 밝혀졌습니다. 반사 진폭의 최대 변조 깊이는 외부 전압이 인가되어 그래핀의 페르미 에너지가 변경될 때 자기 쌍극자의 공명 파장 근처에서 약 40%에 도달할 수 있습니다. 피>

방법

자기 쌍극자 공명과 그래핀의 대역간 전이 사이의 상호 작용을 통해 근적외선 영역에서 효율적인 반사 변조를 위해 조사된 메타 물질의 빌딩 블록을 그림 1에 개략적으로 보여줍니다. 우리는 상용 소프트웨어 패키지 "EastFDTD"[79, 80]로 수치 계산을 수행합니다. 실리카 층은 1.45의 굴절률을 가지며 은 나노 스트립과 기판은 실험적 유전 기능을 갖는다[81]. 그래핀은 다음 공식에 의해 계산된 비유전율을 갖는다[82]:

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

메타 물질의 빌딩 블록 도식. 기하학적 매개변수:마침표 p _x x를 따라 -축 방향, 두께 t 실리카 스페이서의 너비 w , 높이 h 은 나노스트립

여기서 σ _인트라 및 σ _인터 는 그래핀의 표면 전도도에 대한 대역 내 및 대역 간 항, τ 전자-음성자 이완 시간, E _f 는 페르미 에너지이고 t _g 그래핀 두께입니다. 연구된 메타물질은 첨단 나노제작 기술의 도움으로 실험에서 실현될 수 있었다[83]. 먼저, 은 기재와 실리카 층을 열증착법으로 준비한다. 그런 다음 화학 기상 증착을 통해 실리카 표면에 단층 그래핀을 코팅합니다. 마지막으로, 은 나노스트립의 주기적인 배열은 전자빔 리소그래피에 의해 제작됩니다.

결과 및 토론

우리는 먼저 그림 2a의 검은색 선과 사각형으로 표시된 것처럼 그래핀이 없는 메타물질의 반사 스펙트럼에 대해 논의합니다. 자기 쌍극자와 관련된 1210 nm에서 넓은 반사 딥이 관찰됩니다. 그래핀이 메타물질에 삽입되면 그림 2a의 빨간색 선과 원으로 표시된 것처럼 1150nm(그래핀의 밴드간 전이 위치)보다 작은 파장에서 반사가 크게 감소합니다. 그 이유는 자기 쌍극자의 공명 여기로 인해 강화된 전자기장이 그래핀의 광 흡수를 크게 증가시키기 때문입니다. 이에 상응하여, 그래핀에 의해 유도된 반사 스펙트럼의 변조 깊이는 그림 2b에 나타난 바와 같이 광 파장이 1000nm에서 대역간 전이 위치로 증가할 때 약 11%에서 28%로 점차 증가할 것입니다. 변조 깊이는 일반적으로 (R -R ₀ )/R ₀ , 여기서 R 및 R ₀ 메타물질에 그래핀이 삽입된 경우와 포함하지 않은 경우의 반사 스펙트럼입니다[34].

<그림>

아 수직 입사에서 그래핀 단층이 삽입되거나 삽입되지 않은 메타물질의 수치적으로 계산된 반사 스펙트럼. ㄴ 변조 깊이. 매개변수:p _x =400 nm, w =200 nm, h =50 nm, t =30 nm, t _g =0.35 nm, T =300 K, τ =0.50 ps, ​​E _f =0.54 eV

넓은 반사 딥이 자기 쌍극자와 관련이 있음을 입증하기 위해 그림 3에서 xoz 1210 nm의 파장에서 평면. 전기장은 주로 은 나노 스트립의 가장자리 주변에 분포하고 자기장은 은 나노 스트립 아래의 실리카 영역에 크게 국한됩니다. 자기장 분포는 자기 쌍극자 공명의 전형적인 특성이다[84]. 은 기판과 개별 나노 스트립 사이에서 플라즈몬 근거리 혼성화는 그림 3b에서 두 개의 검은색 화살표로 표시된 것처럼 역평행 전류를 생성합니다. 역병렬 전류는 자기 모멘트 M를 유도할 수 있습니다. 자기 쌍극자 공명을 형성하기 위해 입사 자기장을 상쇄. 공진 파장은 너비 w에 크게 의존합니다. w일 때 명백한 적색 편이를 갖는 은 나노스트립의 증가합니다.

<그림>

전기(a ) 및 자기(b ) xoz의 필드 분포 자기 쌍극자 공명의 평면

페르미 에너지 E를 변경하기 위해 외부 전압이 인가될 때 대역 간 전환 위치를 편리하게 조정할 수 있습니다. _f . 대역 간 전환의 위치 조정 가능성은 반사 스펙트럼을 효율적으로 제어하는 ​​데 매우 유용합니다. E의 경우 _f 0.46에서 0.58 eV로 증가하기 위해 그림 4a에서 열린 원으로 표시된 것처럼 대역 간 전이 파란색으로 빠르게 이동합니다. 동시에, 반사는 대역간 전이를 부는 파장 범위에서 눈에 띄게 감소합니다. 자기 쌍극자의 공명 파장 근처에서 대역간 전이가 광대역 자기 쌍극자를 가로질러 점진적으로 조정될 때 반사는 최소 약 0.55로 감소합니다. 그림 4b는 다양한 E에 대한 그래핀 유도 반사 변조 효과를 보여줍니다. _f . E 감소 _f , 반사 스펙트럼의 변조 깊이는 E일 때 더 커지고 최대 거의 40%를 갖습니다. _f =0.46 eV. 또한 조정 가능한 파장 범위는 E _f 감소됩니다. 그러나 대역간 천이에 걸친 파장 범위에서는 그래핀이 없는 경우에 비해 반사 스펙트럼이 변조되지 않으므로 변조 깊이가 거의 0입니다.

<그림>

반사 스펙트럼(a ) 및 변조 깊이(b ) 다른 E _f

대역간 전환은 페르미 에너지 E와 밀접한 관련이 있습니다. _f , 유전율 ε에서 날카로운 스펙트럼 특성으로 완전히 나타날 수 있습니다. _g 그래핀의. 그림 5에서 ε의 실수부와 허수부를 제공합니다. _g 다른 E _f . 각 E에 대해 _f , ε의 실수부에 좁은 피크가 존재 _g , 이에 상응하여 ε의 허수부에 급격한 하락이 나타납니다. _g . E 감소 _f , 그러한 날카로운 스펙트럼 특징은 분명히 적색 편이합니다. 급강하 우측의 파장대역에서 ε의 허수부는 _g 매우 작습니다. 이것이 반사 스펙트럼이 대역간 전이에 걸쳐 파장에 대해 변조되지 않는 이유입니다. 페르미 에너지 E에 대한 대역간 전이의 위치 의존성 _f ε 의 실수 부분의 피크 위치가 그림 6에 나와 있습니다. _g 그림 4a에서 열린 원으로 표시된 것과 매우 일치합니다.

<그림>

실수부(a ) 및 허수부(b )의 ε _g 다른 E _f

<그림>

아 다른 E에 대한 대역간 전환 위치 _f

결론

우리는 그래핀의 대역간 전이를 메타물질의 자기 쌍극자 공명과 결합하여 근적외선 영역에서 전자기파의 반사 스펙트럼을 효율적으로 변조하는 방법을 수치적으로 시연했습니다. 자기 쌍극자 공명으로부터 강화된 전자기장이 그래핀의 광 흡수를 크게 증가시키기 때문에 반사 스펙트럼은 그래핀의 대역간 전이 아래의 파장 범위에서 크게 감소될 수 있음을 발견했습니다. 반사 스펙트럼의 최대 변조 깊이는 그래핀의 페르미 에너지를 변경하기 위해 외부 전압이 인가될 때 자기 쌍극자의 공명 파장 근처에서 약 40%에 도달할 수 있습니다. 이 연구에서 제시된 반사 변조 효과는 광통신 시스템에서 잠재적인 응용을 찾을 수 있습니다.

데이터 및 자료의 가용성

모든 데이터는 제한 없이 완전히 사용할 수 있습니다.

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