서로 다른 그래핀 공진자를 이용한 이중 스위처블 플라즈모닉 투명도 구현

x, y 축 모두 두 입자 모델 적용해 그림 1 보인 유효 플라즈모닉 공명, 결합 이론적 분석 다음 방정식 세트[8, 52, 53]:

i = x 또는 y; γ_i 손실 인자, 스펙트럼 선폭 관련; ω_i 공진자 공진 주파수; Q_i 모드 유효 전하, 공진 모드 강도 표시; m_i 해당 공진 방향 입자 유효 질량. κ_i i 방향 두 층 간 결합 강도, 두 결합 모드 전자-전자 상호작용 대응, 따라서 플라즈몬 특수 필드 분포, 공진자 간 결합 거리에 의해 결정. 플라즈모닉 결합 두 좌표 축만 따라 결합 강도 κ_12i = κ_21i = κ_i 고려, 시스템 두 공진자 그룹 독립적 다른 방향 공진으로 처리. 모든 입자 입사 전기장 E = E₀e^iωt 결합, 변위 벡터 a_i = c_ie^iωt 생성 가정. 식 (1), (2) 대수 계산 수행 후 플라즈몬 모드 진폭 표현:

유효 전기 감수율(χ_eff), 플라즈모닉 공진자 총 편극률(P)과 입사 전기장 강도 비율, 변위 벡터 형태 표현:

시뮬레이션 투과, 흡수 스펙트럼 감수율 허수부로 피팅. 본 논문 흡수 A = Im[χ_{eff, i}] 정의. 이 계수 에너지 보존 관계 T + A = 1 유도, 투과 T = 1 − Im[χ_{eff, i}] 표현.

결과

PIT 효과 여기

PIT 효과 여기 위해 해결 필요 한 문제: 밝은 모드 공진자 설계 방법. 자유공간파와 플라즈몬파 큰 운동량 불일치로 그래핀 플라즈몬 여기 플라즈몬 사용 주요 과제 중 하나. 이 해결 위해 그래핀 플라즈몬 여기 가능 여러 접근법 제안, 이론적 실험적 입증. 첫 번째 일반적 방법 그래핀 단일층 공면 나노구조 패터닝: 나노리본[25, 54], 나노디스크[55, 56], 원[24]. 다른 방법 연속 그래핀 시트 그레이팅 구성: 회절 유전체 그레이팅[51, 57], 전기장 게이트[58] 위치 의존 주기적 국소 전도도 그레이팅 구성, 또는 그래핀 시트 자체 주기적 회절 골판 그레이팅 형성[57, 59]. 이 그래핀 구조서 표면 플라즈몬 여기 이유 나노구조나 그레이팅 플라즈몬파에 추가 역격자 벡터 제공, 편광 방향 주기적 방향 따라 파동 벡터 불일치 보상 필요[51, 54, 59]. 이 조건서 그래핀 공진자 밝은 모드 작동, 어두운 모드 역할도 가능. 여기 GNRs와 직사각형 유전체 그레이팅 적재 그래핀 시트 각각 밝은, 어두운 모드 작동 PIT 시스템 구성 제안(그림 1).

제안 PIT 시스템 메커니즘 탐구 위해 그림 1 보인 구성 수치 시뮬레이션 계산, 두 다른 편광 각도 결과 그림 2 표시. θ = 0° 경우, 하부 그래핀 나노리본(LGNRs), 상부 유전체 그레이팅 적재 그래핀 단독 존재 상황 결과 먼저 계산. 편광 방향 LGNRs 수직이므로 LGNRs서 SPs 여기, 5.327 μm 주요 흡수 피크 결과(그림 2a 파란 선). 대조적으로 상부 그래핀 시트 SPs 이 편광 조건서 여기 안 됨, 입사광 유전체 그레이팅 평행 편광 강한 운동량 불일치 결과(그림 2a 평평한 녹색 선 입증). 이 상황서 LGNRs 직접 여기 모드, UGGs 어두운 모드 각각 LGNRs-0, UGGs-0 참조(그림 2g, f). 흥미로운 점: 두 그래핀 층 충분히 가깝게 접근 시 두 흡수 피크(투과 딥) 5.747 μm, 4.917 μm 출현. 더 긴 공명 파장 흡수 47.16% 도달 지배적, 더 짧은 공명 파장 흡수 피크 35.88% 특징, 두 모드 외부 입사광과 매우 강하게 상호작용(그림 2a, 표 1 결론). 두 모드 두 공진자 사이 위상 내, 위상 외 플라즈모닉 결합 기원. 구체적 밝은 모드 공명 LGNRs서 직접 입사광 여기 고정 모드 고려. 그러나 상부 그래핀 층 플라즈몬 공명 직접 여기 안 되나 LGNRs 여기된 것과 위상 내, 위상 외 상호작용 통해 결합 가능. 두 공진자 공존과 플라즈모닉 결합이 이 PIT 효과 직접 결과. 두 모드 기원 물리적 메커니즘 명확히 위해 이 두 모드 전기장 분포 그림 2h, i 표시. E_z 성분 필드 분포 따라 5.747 μm 모드 층상 구조 위상 내 공명 성격 보임, 대칭 모드(symmetric mode) 명명. 4.917 μm 모드 반위상 공명, 반대칭 모드(antisymmetric mode) 명명. 게다가 그림 2h, i 이 모드 구조 명확히 드러냄: 모든 E_z 성분 편광 방향(x 축) 따라 2π 위상 이동 특징 쌍극자 모드 공명 보임. 두 기본 모드 LGNRs 공명 흡수 제거, 두드러진 투과 창, 두 흡수 피크 광학 스펙트럼 생성, PIT라 불리는 광학 효과 유발(편의상 LGNRs-PIT라 칭함). 그림 2c 두 흡수 피크 투과 위상, 지연 시간 플로팅, 후자 각각 0.34 ps, 0.36 ps 도달, 시스템 내 느린 빛 효과 나타냄.

θ = 90° 경우, UGGs서 SPs 여기 5.202 μm 주요 흡수 피크, LGNRs 단독 존재 시 여기 안 됨(그림 2b 녹색, 파란 선). 이 상황서 UGGs 직접 여기 모드, LGNRs 어두운 모드 각각 LGNRs-90, UGGs-90 참조(그림 2j, k). 그러나 이 두 모드 충분히 가까워 서로 결합 시 두 투과 딥(흡수 피크) 5.511 μm, 4.636 μm 명확 출현, 흡수 각각 49.07%, 46.46% 도달, 외부 입사파와 상호작용 매우 강함(그림 2b, 표 1 결론). θ = 0° 경우와 유사하게 물리적 메커니즘 두 그래핀 층 위상 내, 위상 외 플라즈몬 결합 고려로 이해 가능. 그림 2l, m 명확히 설명: E_z 성분 필드 분포 y 축 따라 각 그래핀 층 2π 위상 이동 특징 쌍극자 모드 공명, 해당 흡수 피크 위상 내(대칭 모드), 반위상(반대칭 모드) 공명 드러냄. 이 두 기본 모드 UGGs 단독 경우 공명 흡수 제거, 두드러진 투과 창, 두 흡수 피크 광학 스펙트럼 생성, 또 다른 PIT 결과(편의상 UGGs-PIT 칭함). 그림 2d 투과 위상, 대칭 모드, 반대칭 모드 흡수 피크 지연 시간 플로팅, 각각 0.23 ps, 0.21 ps 피크 값 느린 빛 전파 효과 보임.

그러나 중요: 그림 2i, m 반대칭 모드 상부 그래핀 시트 필드 분포 "다중극" 공명 외관 보이나, 전하 진동 편광 방향 따라 쌍극자 모드 공명 성격 유지. "다중극" 공명 외관 이유 LGNRs 강한 필드 간섭 때문. 패턴 GNRs 국소화 플라즈몬 필드 연속 그래핀 시트보다 더 두드러짐 이해[60](그림 2e). 필드 모니터 두 그래핀 층 밖 설정하거나 큰 결합 거리 사용 시 예: d = 50 nm, "다중극" 모드 외관 순수 쌍극자 모드 공명으로 변화(그림 2e 인셋). 게다가 두 그래핀 층 모드 결합 다름 주목. 구체적 θ = 0° 경우 LGNRs-PIT x 방향 공명 LGNRs-0, UGGs-0 강한 결합 결과. θ = 90° 경우 UGGs-PIT y 방향 공명 UGGs-90, LGNRs-90 강한 결합 결과(그림 2 명확). 따라서 LGNRs-PIT, UGGs-PIT 다른 편광 공명 모드 플라즈모닉 결합 효과, 두 다른 PIT 효과 결과.

따라서 그림 2서 LGNRs-PIT(θ = 0°), UGGs-PIT(θ = 90°) 두 분리된 밝은-어두운 모드 결합 경로 결과 두 다른 PIT 효과, 다른 스펙트럼 응답 특징. 즉 입사광 편광 방향 단순히 변경해 두 PIT 효과 서로 전환 가능, 편광 비민감 PIT 효과와 매우 다름(논의 부분 참조). 게다가 이 스위처블 PIT 효과 식 (1), (2) 보인 두 입자 모델로 설명 가능. θ = 0° 경우 UGGs 입사장 직접 결합 효율 0(어두운) 반면 LGNRs 최고(밝음), 방정식 우변 입증. θ = 90° 경우 역으로 UGGs 밝음, LGNRs 어두움. 두 경우 모두 식 (5) 해석적 결과(그림 2a, b 빨간 원)와 수치 결과(그림 2a, b 빨간 선) 간 일치 거의 완벽. 해석 모델 공명 위치뿐만 아니라 피크 값도 매우 정확하게 예측(그림 2 명확). 마지막으로 여기 제시 결과 동일 공진자 구성 다른 PIT 시스템[35, 38]과 매우 다름; 그들 다른 편광서 그림 2 결과 얻지 못함. 추가 차이 논의 부분서 논의.

PIT 기하학적 튜너빌리티

근접장 밝은, 어두운 모드 결합 두 편광 의존 PIT 효과 결과 입증; 따라서 밝은, 어두운 모드 공명 및 그들 간 결합 강도 크게 영향 미치는 파라미터 PIT 효과 조절 파라미터 처리 가능. θ = 0° 경우 매개변수 연구 먼저 수행: LGNRs 폭(W_r), UGGs 폭(W_d) 20-100 nm 변경, 결과 그림 3a, c 표시. LGNRs 직접 입사광 결합 밝은 모드 작동 조건서 그 치수 변화 전체 시스템 플라즈모닉 응답 직접 영향. 예: W_r 매우 작음 예 20 nm, GNRs 낮은 점유율[14, 51]로 입사광 결합 효율 매우 약함, PIT 시스템 대칭 모드, 특히 반대칭 모드 흡수 낮음(그림 3a W_r = 20 nm 흡수 선 참조). 다른 예: W_r 충분히 큼, 특히 최대 100 nm 도달 시(LGNRs 전체 그래핀 층 됨) 두 공진자 모두 외부장 결합 못 해 LGNRs-PIT 사라짐. 주목: 두 모드 흡수 W_r 약 50 nm서 동시에 최고값. 밝은 모드와 달리 상부 그래핀 층 유전체 그레이팅 폭(W_d) 변화 어두운 모드 공명 위치, 대칭 모드, 반대칭 모드 흡수 한계 내 조정만 가능, 외부파와 높은 결합 효율 제거 또는 유의미 영향 못 줌(그림 3c). 실제로 유전체 그레이팅 제거되거나 전체 유전체 층 됨(W_d = 100 nm) LGNRs 여전히 상부 그래핀 시트와 결합 가능, 이전 작업[36] 2차원 경우서 단일 PIT 효과만 허용 입증.

θ = 90° 경우 결과 θ = 0° 경우 대비 대조적: LGNRs 어두운 모드, UGGs 밝은 모드 작동. 상세: LGNR 폭 W_r 변화 대칭 모드, 반대칭 모드 공명 위치, 최대 흡수만 조절, 두 모드 존재 소멸 못 시킴(그림 3b). LGNRs 이 편광 조건서 어두운 모드 작동 때문. W_r = 100 nm 조건서 시스템 DG 적재 그래핀 시트 다른 그래핀 시트 결합, 이전 연구[34] 보고 2차원 단일 PIT 시스템 유사. 그러나 상부 유전체 그레이팅 변화 UGGs 이 조건서 밝은 모드 작동하므로 PIT 시스템 광학 응답 큰 영향, θ = 0° 경우 W_r 변경과 매우 유사(그림 3d). 일반적으로 그림 3a-d서 밝은 모드 튜닝 UGGs-PIT 외관, 심지어 존재 크게 영향 결론, 그림 3a, d 입증. 반면 어두운 모드 변화 UGGs-PIT 대칭 모드, 반대칭 모드 공명 위치, 상대 강도만 변경, 그림 3b, c 입증.

PIT 효과 크게 영향 미치는 또 다른 파라미터 두 그래핀 공진자 간 공간 d. GNRs, 유전체 그레이팅 폭 고정 후 d 증가 시 두 그래핀 공진자 간 상호작용 강도 두 편광 각도 모두서 그래핀 표면 법선 방향 플라즈모닉 필드 빠른 감소로 단조 감소[35, 61]. 결과 대칭 모드, 반대칭 모드 각각 θ = 0°, 90° 경우 큰 결합 거리 예 d > 70 nm서 소멸(그림 3e, f). 밝은, 어두운 모드 서로 타자 소멸장 감쇠 길이 넘어 멀리 떨어지면 비결합, 밝은 모드만 존재 알려짐. 그림 3e, f서 PIT 대칭 모드, 반대칭 모드 각각 UGGs, LGNRs 기원 결론, 큰 층 거리서 잔류. 다양한 결합 강도 PIT 효과 두 입자 모델과 잘 매칭, 수치, 해석적 예측 결과 탁월한 일치(그림 3a, b 실선 FDTD, 어두운 원 두 입자 모델).

PIT 전기적 튜너빌리티

그래핀 기반 플라즈모닉 소자 주요 장점 중 하나 정전기 게이팅 기술로 실현 가능 동적 광대역 튜너빌리티[61, 62]. 이 흥미로운 특성 그래핀 페르미 에너지 전기적 변경, 기하학적 구조 재구성 없이 제안 PIT 시스템 투과 창 능동 변조 다른 파장 작동 가능[24, 25]. 전계 효과 트랜지스터 구조 다른 바이어스 전압 적용해 연구자들 페르미 에너지 준위 0.2-1.2 eV 동적 튜닝 실험적 달성[63]. 그림 4 보인 시뮬레이션 흡수 스펙트럼 제안 PIT 소자 광대역, 동적 튜너빌리티 확인. 주어진 기하학적 파라미터서 LGNRs-PIT(UGGs-PIT) 대칭 모드, 반대칭 모드 플라즈몬 파장 페르미 레벨 0.8-0.2 eV 변조 시 각각 4.977-9.953 μm, 4.259-8.520 μm(4.775-9.551 μm, 4.015-8.033 μm) 튜닝 가능(그림 4a, b 실선, 대시-점선). 이 동적 튜너빌리티 제안 PIT 소자 설계, 실용 응용 크게 촉진.

응용

이전 부분서 LGNRs UGGs 결합 추가 두 편광 의존 PIT 효과 결과, 기하학적, 전기적 파라미터 결합 영향 입증. 이 부분서 제안 시스템 선택적 굴절률 센서, 이중 대역 완전 흡수체 설계 가능 입증.

PIT 효과 밝은, 어두운 모드 공명 둘 다 결정되므로, 이 두 모드 변화 가져오는 것 직접 PIT 창 대칭 모드, 반대칭 모드 변경. 따라서 유도된 대칭 모드, 반대칭 모드 국소 유전체 환경 고도로 민감, 굴절률 센서 설계 적용 가능[64]. 우리 설계서 UGGs 위 영역(굴절률 n₀), LGNRs 아래 영역(굴절률 n₂) 모두 센싱 영역 고려 가능. 감도 계산 위해 S = Δλ/Δn 정의, 플라즈몬 파장(λ) 굴절률 단위(RIU)당 이동 특정. 물질 굴절률 n₁ = 2.0, n₀ = n₂ = n₃ = 1.3 가정(n₀ 또는 n₂ 센싱 영역 작동 경우 1.0-1.1 범위 변경 제외).

첫째, GNRs 폭(W_r) 튜닝 시 센싱 영역 밝은 모드 옆일 때(θ = 90° 센싱 영역 n₀, θ = 0° 센싱 영역 n₂) 대칭 모드 감도 S_SM 더 넓은 리본 폭서 커짐(그림 5b, c 실선 파란색). 특히 θ = 0° 센싱 영역 n₂ 경우 S_SM 4 μm/RIU 도달. 둘째, DG 폭(W_d) 증가 경우 대칭 모드 감도 S_SM, 반대칭 모드 감도 S_AM 대부분 경우 감소. 마지막으로 두 층 간 결합 거리 d서 대칭 모드 S_SM 감소, 반대칭 모드 증가 두 편광 각도 모두서(그림 5 실선, 대시-점선 어두운 선). θ = 90° 편광 각도서 큰 결합 거리 반대칭 모드 소멸 고려(그림 3f), θ = 0° 상황 반대칭 모드 더 큰 거리서 센서 작동 적합. 일반적으로 LGNRs-PIT, UGGs-PIT 대칭 모드, 반대칭 모드 감도 각각 서로 비교 가능, 그림 5a 5b 비교, 그림 5c 5d 비교로 결론. 게다가 센싱 영역 밝은, 어두운 모드 옆 경우 감도 큰 차이 안 보임, 그림 5a 5d 비교(어두운 모드 옆), 그림 5b 5c 비교(밝은 모드 옆). 그러나 LGNRs 아래 센싱 영역 경우 UGGs 위 센싱 영역 경우보다 감도 명백히 높음, 그림 5a, b 그림 5c, d 비교. 이는 감도 국소 플라즈모닉 필드 직접 관련[64], 첨단 나노리본 국소 플라즈모닉 필드 일반적으로 연속 에지-프리 그래핀 유전체 그레이팅보다 강함[60].

굴절률 센서 외 제안 시스템 완전 흡수체 추가 설계 가능. 달성 위해 LGNRs 아래 금속 기판 추가, 물질 굴절률 n₁ = 2.0, n₀ = n₂ = n₃ = 1.3 가정. 금속 기판 존재로 LGNRs, 금속 미러 사이 유전체 층 파브리-페로 캐비티 형성, 입사광 그래핀 층 상호작용 증가, 두 모드 흡수율 추가 증가. θ = 0° LGNRs-PIT 경우 금속 기판 LGNRs 아래 3.0-μm 거리서 대칭 모드, 반대칭 모드 완전 흡수(흡수율 > 96%) 동시 달성(그림 6a, c). 우리 제안 그래핀 도핑 레벨 좋은 강건성도 보임(그림 6a). 그래핀 페르미 에너지 레벨 0.58-0.66 eV 범위서 두 모드 흡수율 > 90%. 그래핀 도핑 레벨 외 완전 흡수 편광 각도 좋은 내성: 편광 각도 -17°~17° 범위서 두 모드 흡수율 높은 수준(>90%) 유지. 파라미터 강건성 흡수체 실용 설계 유리.

θ = 90° UGGs-PIT 경우 완전 흡수 달성 위해 금속 기판 LGNRs 아래 1.2-μm 거리 설정 필요. 대칭 모드, 반대칭 모드 완전 흡수(흡수율 > 95%) 동시 달성(그림 6b, d). LGNRs-PIT 경우 유사하게 편광 각도 -15°~15° 범위 내성, 두 모드 흡수율 > 90%(그림 6d). 더 주목할: UGGs-PIT 경우 제안 흡수체 그래핀 도핑 레벨 훨씬 큰 강건성 보임(그림 6b). 그래핀 페르미 에너지 레벨 0.55-1.15 eV 범위서 두 모드 흡수율 > 90% 발견. 그래핀 페르미 레벨 외부 게이트 전압으로 동적 튜닝 가능 고려, 설계 구조 대칭 모드(반대칭 모드) 작동 파장 4.59-6.64 μm(3.77-5.45 μm) 범위 능동 이중 대역 완전 흡수체로 간주 가능.

논의

이 부분서 제안 구조 유사 다른 구조와 장점, 차이 논의. 이 목적 위해 GNRs 단독, 유전체 그레이팅 적재 그래핀 단독 경우 플라즈몬 공명 파장 먼저 계산(그림 7a). 공진자 폭 의존성 플라즈몬 파장 다름 보임. 인셋 모드 공명 특성 표시: GNRs 플라즈모닉 필드 주로 GNR 에지 국소화, 그래핀 시트 유전체 그레이팅 부착 경우 플라즈모닉 필드 주로 그레이팅 영역 집중. 이전 연구서 필드 분포, 공진자 간 거리 플라즈모닉 결합 크게 영향[35, 65], 결합 시스템 스펙트럼 응답 영향. 즉 우리 경우 LGNRs 상부 유전체 그레이팅 결합, 반대 방향 결합 다름. 따라서 그림 7b 두 공진자 단독 존재 시 플라즈몬 파장 동일해도 밝은, 어두운 모드 작동 여부 관계없이 두 구별된 PIT 효과 결과. 우리 설계 장점 더 명확히 보이기 위해 그림 7c, d 다른 기하학적 파라미터 PIT 효과 공진 모드 위치 플로팅. 두 편광 방향 항상 두 구별된 PIT 효과 존재 명확히 입증, 기하학적 파라미터 동일해도.

그러나 제안 구조 동일 공진자, 예: 수직 GNRs, 유전체 그레이팅 적재 그래핀 설계 안 된 이유 궁금할 수 있음. 이전 연구[35, 38]서 보고됨. 설명 위해 순수 GNRs, 유전체 그레이팅 적재 그래핀 공진자 구조 PIT 효과 두 모드 공명 위치 그림 7e, f 플로팅. 두 공진자 층 동일 기하학적 파라미터 설계 시 모든 편광 방향 단일 PIT 효과만 존재, PIT 효과 흡수 스펙트럼서 구별 안 됨. 이는 두 공진자 층 결합 플라즈몬 모드 필드 분포 동일해 등가 때문. 즉 그림 7e, f 인셋 구조 편광 비종속 PIT 효과 특정 기하학적 파라미터 선택 의존. 반면 본 논문 설계 두 스위처블 PIT 효과 달성 특정 기하학적 파라미터 선택 의존 안 함, 두 스위처블 PIT 효과 존재 보장.

결론

본 논문서 고급 시뮬레이션, 이론 분석 결합 GNRs 유전체 그레이팅 적재 그래핀 층 결합 두 그래핀 층 형성 스위처블 PIT 효과 조사. 교차 나노리본, 그레이팅 방향 덕분에 GNRs, 유전체 그레이팅 편광 방향 따라 밝은, 어두운 모드 작동 가능. 이 두 편광 방향 입사광 두 공진자 내 두 다른 밝은-어두운 모드 결합 경로 도입, 두 스위처블 PIT 효과 결과. 그래핀 나노리본 폭, 유전체 그레이팅 폭, 층 거리, 그래핀 페르미 레벨 등 기하학적 파라미터 제안 PIT 효과 물리적 메커니즘, 성능 연구 사용. 또한 제안 개념 두 입자 모델 적용 검증, 수치 결과와 탁월한 일치 보임. 제안 방법 독특한 공진자 결합 시스템서 스위처블 PIT 효과 달성 일반적 접근 제공, PIT 기반 플라즈모닉 센싱 플랫폼, 능동 이중 대역 완전 흡수체 적용 가능성, 다재다능성 발전 가능.

데이터 및 재료 가용성

본 논문 결론 지지 모든 데이터 논문 내 포함.

변경 이력

약어

FDTD:

유한차분 시간영역 (Finite-difference time-domain)

GNRs:

그래핀 나노리본 (Graphene nanoribbons)

LGNRs:

하부 그래핀 나노리본 (Lower graphene nanoribbons)

PIT:

플라즈모닉 유도 투명도 (Plasmonically induced transparency)

UGGs:

상부 그래핀 그레이팅 (Upper graphene gratings)