그래핀 밴드간 전이와 메타물질 자기 공진 결합을 통한 효율적 근적외선 광 변조

배경

기계적 힘, 온도 변화, 전기 전압, 레이저 빔 등 외부 자극[1,2,3,4]에 의해 전자기파의 스펙트럼 특성을 동적으로 제어하는 것은 홀로그래픽 디스플레이 기술, 고성능 센싱, 광통신 등 많은 응용 분야로 인해 관심이 증가하고 있습니다. 최근 몇 년간 전자기파의 투과, 반사, 흡수 스펙트럼을 능동적으로 조작하려는 많은 노력이 있었으며, 이는 그래핀의 전기적으로 조정 가능한 표면 전도도에 기반하여 마이크로파[5, 6], 테라헤르츠(THz)[7-33], 적외선[34-65], 가시광[66-72] 등 매우 넓은 주파수 범위를 포함합니다. 이러한 그래핀 기반 전자기파 능동 조작은 외부 전기 자극 하에서 관련 구조 재구성 없이 전자기파의 진폭[5, 7-21, 34-57, 66-72], 위상[6, 22-28, 58-62], 편광[29-33, 63-65]을 효율적으로 변조하는 세 가지 종류의 전자기파 변조기에 목표를 두고 있습니다. 원적외선과 THz 영역에서 그래핀 표면 전도도는 밴드내 기여만 포함하며, 그래핀은 표준 드루드 모델[27]로 기술 가능한 효과적인 유전 함수를 가집니다. 따라서 낮은 주파수에서 귀금속(Ag, Au)과 매우 유사하게, 나노구조 그래핀도 국소 또는 비국소 표면 플라즈몬 공진[73]을 지원하여 강한 전자기장 증강으로 빛-물질 상호작용을 강화, 전자기파 효율적 변조에 널리 활용되었습니다. 예를 들어 2012년 Sensale-Rodriguez 등은 그래핀 마이크로 리본의 플라즈몬 효과를 활용하여 THz 주파수에서 우수한 성능의 반사율 변조기를 이론적으로 제시했습니다[9]. 가시광 및 근적외선 영역에서 밴드간 기여가 그래핀 표면 전도도를 지배하며, 복소 유전율의 실수부는 양의 값을 가집니다. 따라서 높은 주파수에서 그래핀 자체는 더 이상 표면 플라즈몬 공진을 지원하지 않으며 빛과 상호작용할 때 초박막 유전체 막처럼 거동합니다. 이 상황에서 다른 나노구조 물질에서 지원되는 다양한 고품질 공진 모드들이 게이트 제어 그래핀 페르미 에너지의 도움으로 전자기파를 전기적으로 변조하기 위해 탐구되어 왔습니다. 예를 들어 Yu 등은 파브리-페로 간섭, 높은 굴절률 유전체 나노구에서의 미 모드, 금속 나노입자 주기적 어레이의 표면 격자 공진을 활용하여 그래핀으로 가시광 진폭 변조를 이론적으로 연구했습니다[67]. 지난 10년간 메타물질의 자기 공진은 전자기파 완벽 흡수체 달성을 위해 광범위하고 집중적으로 연구되었습니다[74-78]. 그러나 지금까지 메타물질의 자기 공진과 삽입된 그래핀 단일층 기반 광 변조기에 대한 연구는 소수에 불과합니다[34].

우리는 그래핀의 밴드간 전이를 메타물질의 자기 쌍극자 공진과 결합하여 근적외선 영역에서 전자기파 반사 스펙트럼을 효율적으로 변조하는 방법을 제안합니다. 메타물질의 반사 스펙트럼이 그래핀의 밴드간 전이 파장 범위 아래에서 크게 감소함이 밝혀졌는데, 이는 자기 쌍극자 공진으로부터의 향상된 전자기장이 그래핀의 빛 흡수를 크게 증가시키기 때문입니다. 외부 전압 인가로 페르미 에너지 E_f를 변화시켜 밴드간 전이가 광대역 자기 쌍극자 공진에 점차 접근할 때, 자기 쌍극자 공진 파장 근처에서 반사 진폭의 최대 변조 깊이는 약 40%에 도달할 수 있습니다.

방법

그림 1에 근적외선 영역에서 효율적 반사 변조를 위한 조사된 메타물질의 빌딩 블록을 개략적으로 보입니다. 자기 쌍극자 공진과 그래핀 밴드간 전이 간 상호작용을 통해. 우리는 상용 소프트웨어 패키지 "EastFDTD"[79, 80]로 수치 계산을 수행합니다. 실리카 층 굴절률 1.45, 은 나노스트립과 기판은 실험적 유전 함수[81] 보유. 그래핀은 다음 공식으로 계산된 상대 유전율 가집니다[82]:

메타물질 빌딩 블록 개략도. 기하학적 파라미터: x축 방향 주기 p_x, 실리카 스페이서 두께 t, 은 나노스트립 폭 w, 높이 h

여기서 σ_intra와 σ_inter는 그래핀 표면 전도도의 밴드내 및 밴드간 항, τ는 전자-포논 완화 시간, E_f는 페르미 에너지, t_g는 그래핀 두께. 연구된 메타물질은 첨단 나노제작 기술[83]로 실험적 구현 가능. 첫째, 은 기판과 실리카 층을 열증착으로 제조. 둘째, 단일층 그래핀을 화학 기상 증착으로 실리카 표면에 코팅. 마지막으로, 전자빔 리소그래피로 은 나노스트립 주기적 어레이 제작.

결과 및 고찰

먼저 그래핀 없는 메타물질 반사 스펙트럼 논의, 그림 2a 검은 선과 사각형. 1210nm에서 넓은 반사 딥 관측, 자기 쌍극자 관련. 그래핀이 메타물질에 삽입되면 1150nm(그래핀 밴드간 전이 위치)보다 짧은 파장에서 반사가 크게 감소, 그림 2a 빨간 선과 원. 이유는 자기 쌍극자 공진 여기로부터의 향상된 전자기장이 그래핀 빛 흡수를 크게 증가시키기 때문. 대응하여 그래핀 유도 반사 스펙트럼 변조 깊이는 빛 파장이 1000nm에서 밴드간 전이 위치로 증가함에 따라 약 11%에서 28%로 점진적 증가, 그림 2b 표시. 변조 깊이는 일반적으로 (R-R₀)/R₀로 정의, R과 R₀는 그래핀 삽입 유무에 따른 메타물질 반사 스펙트럼[34].

a 정규 입사 하 그래핀 단일층 삽입 유무에 따른 메타물질 수치 계산 반사 스펙트럼. b 변조 깊이. 파라미터: p_x=400nm, w=200nm, h=50nm, t=30nm, t_g=0.35nm, T=300K, τ=0.50ps, E_f=0.54eV

넓은 반사 딥이 자기 쌍극자와 관련됨을 보이기 위해 그림 3에 1210nm 파장에서 xoz 평면 전자기장 플롯. 전기장은 주로 은 나노스트립 가장자리에 분포, 자기장은 은 나노스트립 아래 실리카 영역에 크게 국한. 이 장 분포는 자기 쌍극자 공진의 전형적 특성[84]. 은 기판과 개별 나노스트립 사이 플라즈모닉 근접장 하이브리드화로 반평행 전류 생성, 그림 3b 두 검은 화살표 표시. 반평행 전류는 입사 자기장에 대응하는 자기 모멘트 M 유도하여 자기 쌍극자 공진 형성. 공진 파장은 은 나노스트립 폭 w에 강하게 의존, w 증가시 명백한 적색 편이.

자기 쌍극자 공진에서 xoz 평면 전기(a) 및 자기(b) 장 분포

밴드간 전이 위치는 외부 전압 인가로 페르미 에너지 E_f 변화 시 편리하게 조정 가능. 밴드간 전이 위치 조정성은 반사 스펙트럼 효율적 제어에 매우 유용. E_f가 0.46에서 0.58eV로 증가하면 밴드간 전이가 빠르게 청색 편이, 그림 4a 빈 원 표시. 동시에 밴드간 전이 아래 파장 범위에서 반사가 현저히 감소. 자기 쌍극자 공진 파장 근처에서 밴드간 전이가 광대역 자기 쌍극자 공진을 점차 가로질러 조정될 때 반사가 약 0.55 최소로 감소. 그림 4b는 다른 E_f에 대한 그래핀 유도 반사 변조 효과. E_f 감소 시 반사 스펙트럼 변조 깊이는 더 커지고 E_f=0.46eV에서 거의 40% 최대 도달. 또한 조정 가능 파장 범위도 훨씬 넓어지는데, E_f 감소 시 밴드간 전이 연속적 적색 편이 때문. 그러나 밴드간 전이 위 파장 범위에서는 그래핀 없는 경우와 비교해 반사 스펙트럼 변조되지 않음, 변조 깊이는 거의 0.

다른 E_f에 대한 반사 스펙트럼(a) 및 변조 깊이(b)

밴드간 전이는 페르미 에너지 E_f와 밀접히 관련, 그래핀 유전율 ε_g에서 날카로운 스펙트럼 특징으로 완전히 나타남. 그림 5에 다른 E_f에 대한 ε_g 실수부와 허수부 표시. 각 E_f에 대해 ε_g 실수부에 좁은 피크 존재, 대응하여 허수부에 급격한 하락 나타남. E_f 감소 시 이러한 날카로운 스펙트럼 특징 명백히 적색 편이. 급격한 하락 오른쪽 파장 범위에서 ε_g 허수부 매우 작음. 이것이 밴드간 전이 위 파장에서 반사 스펙트럼이 변조되지 않는 이유. E_f에 대한 밴드간 전이 위치 의존성 그림 6 표시. ε_g 실수부 피크 위치가 그림 4a 빈 원 표시 위치와 훌륭히 일치함 명확히 확인.

다른 E_f에 대한 ε_g 실수부(a) 및 허수부(b)

a 다른 E_f에 대한 밴드간 전이 위치

결론

우리는 그래핀의 밴드간 전이를 메타물질의 자기 쌍극자 공진과 결합하여 근적외선 영역에서 전자기파 반사 스펙트럼을 효율적으로 변조하는 방법을 수치적으로 입증했습니다. 메타물질의 반사 스펙트럼이 그래핀의 밴드간 전이 파장 범위 아래에서 크게 감소함이 밝혀졌는데, 이는 자기 쌍극자 공진으로부터의 향상된 전자기장이 그래핀의 빛 흡수를 크게 증가시키기 때문입니다. 외부 전압 인가로 페르미 에너지를 변화시켜 밴드간 전이가 자기 쌍극자 공진 근처에 있을 때 반사 스펙트럼의 최대 변조 깊이는 약 40%에 도달할 수 있습니다. 본 연구에서 제시된 반사 변조 효과는 광통신 시스템에서 잠재적 응용을 찾을 수 있습니다.

데이터 및 자료 가용성

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