Grafenplasmoner når det infrarøde

Grafens unikke egenskaber kan være både en velsignelse og en forbandelse for forskere, især til dem i skæringspunktet mellem optiske og elektroniske applikationer. Disse tykplader med enkelt atom har meget mobile elektroner på deres fleksible profiler, gør dem til fremragende dirigenter, men generelt interagerer grafenplader ikke effektivt med lys.

Problematisk for kortere bølgelængde lys, fotoner i det nære infrarøde område af spektret, hvor telekommunikationsapplikationer bliver realiserbare. I et papir offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Optik bogstaver , fra The Optical Society (OSA), forskere ved Danmarks Tekniske Universitet har påvist bl. for første gang, effektiv absorptionsforøgelse ved en bølgelængde på 2 mikrometer med grafen, specifikt af plasmonerne af grafenskiver i nanoskala.

Meget ligesom vandbølger, der opstår fra energien fra en faldet sten, elektroniske svingninger kan opstå i frit bevægelige ledningselektroner ved at absorbere lysenergi. Det resulterende kollektiv, kohærente bevægelser af disse elektroner kaldes plasmoner, som også tjener til at forstærke styrken af ​​det absorberede lyss elektriske felt i umiddelbar nærhed. Plasmoner bliver mere og mere almindelige i forskellige optoelektroniske applikationer, hvor stærkt ledende metaller let kan integreres.

Grafen plasmoner, imidlertid, står over for et ekstra sæt udfordringer, som ikke er kendt for plasmonerne af bulkmetaller. En af disse udfordringer er den relativt lange bølgelængde, der skal til for at ophidse dem. Mange bestræbelser på at udnytte de forbedrende virkninger af plasmoner på grafen har vist lovende, men til lavenergilys.

"Motivationen for vores arbejde er at skubbe grafenplasmoner til kortere bølgelængder for at integrere grafenplasmonkoncepter med eksisterende modne teknologier, " sagde Sanshui Xiao, lektor fra Danmarks Tekniske Universitet.

For at gøre det, Xiao, Wang og deres samarbejdspartnere tog inspiration fra den seneste udvikling på universitetets Center of Nanostructured Graphene (CNG), hvor de demonstrerede en selvsamlingsmetode, der resulterede i store arrays af grafen nanostrukturer. Deres metode bruger primært geometri til at styrke grafenplasmoneffekterne ved kortere bølgelængder ved at formindske størrelsen af ​​grafenstrukturerne.

Brug af litografiske masker fremstillet ved en blokcopolymer baseret selvsamlingsmetode, forskerne lavede arrays af grafen -nanodisker. De kontrollerede diskenes endelige størrelse ved at udsætte arrayet for iltplasma, der ætsede væk på diske, bringer den gennemsnitlige diameter ned til cirka 18 nm. Dette er cirka 1000 gange mindre end bredden af ​​et menneskehår.

Arrayen på cirka 18 nm diske, som følge af 10 sekunders ætsning med oxygenplasma, viste en klar resonans med 2 mikrometer bølgelængde lys, den korteste bølgelængde resonans nogensinde observeret i grafen plasmoner.

En antagelse kan være, at længere ætsetider eller finere litografiske masker, og derfor mindre diske, ville resultere i endnu kortere bølgelængder. Generelt er dette sandt, men ved 18 nm begynder skiverne allerede at kræve overvejelse af atomare detaljer og kvanteeffekter.

I stedet, holdet planlægger at tune grafen-plasmonresonanser i mindre skalaer i fremtiden ved hjælp af elektriske gating-metoder, hvor den lokale koncentration af elektroner og elektrisk feltprofil ændrer resonanser.

Xiao sagde, "For yderligere at skubbe grafenplasmoner til kortere bølgelængder, vi planlægger at bruge elektrisk port. I stedet for grafenskiver, grafen moddots (dvs. grafen ark med almindelige huller) vil blive valgt, fordi det er let at implementere en back-gating teknik."

Der er også fundamentale grænser for fysikken, der forhindrer en forkortning af grafenplasmonresonansbølgelængden med mere ætsning. "Når bølgelængden bliver kortere, interbandovergangen spiller snart en central rolle, fører til udvidelse af resonansen. På grund af svag kobling af lys med grafen plasmoner og denne udvidende effekt, det bliver svært at observere resonansfunktionen, Xiao forklarede.