Studie af akustiske grafenplasmoner baner vej for optoelektroniske applikationer

KAIST-forskere og deres samarbejdspartnere i ind- og udland har med succes demonstreret en ny metode til direkte nærfelts optisk billeddannelse af akustiske grafenplasmonfelter. Denne strategi vil give et gennembrud for de praktiske anvendelser af akustiske grafen plasmon platforme i næste generation, Høj ydeevne, grafen-baserede optoelektroniske enheder med forbedrede lys-stof-interaktioner og lavere udbredelsestab.

Det blev for nylig påvist, at grafen plasmoner, kollektive svingninger af frie elektroner i grafen koblet til elektromagnetiske lysbølger, kan bruges til at fange og komprimere optiske bølger inde i et meget tyndt dielektrisk lag, der adskiller grafen fra en metalplade. I en sådan konfiguration, grafens ledningselektroner "reflekteres" i metallet, så når lysbølgerne "skubber" elektronerne i grafen, deres billedladninger i metal begynder også at svinge. Denne nye type kollektiv elektronisk oscillationstilstand kaldes 'akustisk grafenplasmon (AGP)".

Eksistensen af ​​AGP kunne tidligere kun observeres via indirekte metoder såsom fjernfelt infrarød spektroskopi og fotostrømkortlægning. Denne indirekte observation var den pris, som forskere måtte betale for den stærke komprimering af optiske bølger inde i nanometertynde strukturer. Det blev antaget, at intensiteten af ​​elektromagnetiske felter uden for enheden var utilstrækkelig til direkte nærfelts optisk billeddannelse af AGP.

Udfordret af disse begrænsninger, tre forskergrupper kombinerede deres indsats for at samle en unik eksperimentel teknik ved hjælp af avancerede nanofabrikationsmetoder. Deres resultater blev offentliggjort i Naturkommunikation den 19. februar.

Et KAIST-forskerhold ledet af professor Min Seok Jang fra School of Electrical Engineering brugte et meget følsomt scattering-type scanning nærfelt optisk mikroskop (s-SNOM) til direkte at måle de optiske felter af AGP-bølgerne, der forplanter sig i en nanometertynd bølgeleder, visualiserer tusindfold komprimering af mellem-infrarødt lys for første gang.

Professor Jang og en post-doc forsker i hans gruppe, Sergey G. Menabde, med succes opnået direkte billeder af AGP-bølger ved at drage fordel af deres hurtigt henfaldende, men altid tilstedeværende elektriske felt over grafen. De viste, at AGP'er er sporbare, selv når det meste af deres energi flyder inde i dielektrikumet under grafenet.

Dette blev muligt på grund af de ultraglatte overflader inde i nano-bølgelederne, hvor plasmoniske bølger kan forplante sig på længere afstande. Den AGP-mode, som forskerne undersøgte, var op til 2,3 gange mere begrænset og udviste en 1,4 gange højere værdi med hensyn til den normaliserede udbredelseslængde sammenlignet med grafenoverfladeplasmonen under lignende forhold.

Disse ultraglatte nanostrukturer af bølgelederne, der blev brugt i eksperimentet, blev skabt ved hjælp af en template-stripping-metode af professor Sang-Hyun Oh og en post-doc forsker, In-Ho Lee, fra Department of Electrical and Computer Engineering ved University of Minnesota.

Professor Young Hee Lee og hans forskere ved Center for Integrated Nanostructure Physics (CINAP) ved Institute of Basic Science (IBS) ved Sungkyunkwan University syntetiserede grafen med en monokrystallinsk struktur, og denne høje kvalitet, grafen med stort areal muliggjorde plasmonisk udbredelse med lavt tab.

De kemiske og fysiske egenskaber af mange vigtige organiske molekyler kan detekteres og evalueres ved deres absorptionssignaturer i det mellem-infrarøde spektrum. Imidlertid, konventionelle detektionsmetoder kræver et stort antal molekyler for vellykket påvisning, der henviser til, at de ultrakomprimerede AGP-felter kan give stærke lys-stof-interaktioner på mikroskopisk niveau, dermed markant forbedring af detektionsfølsomheden ned til et enkelt molekyle.

Desuden, undersøgelsen udført af professor Jang og teamet viste, at de melleminfrarøde AGP'er i sagens natur er mindre følsomme over for tab i grafen på grund af deres felter, der for det meste er begrænset inden for dielektrikumet. Forskerholdets rapporterede resultater tyder på, at AGP'er kan blive en lovende platform for elektrisk afstembare grafen-baserede optoelektroniske enheder, der typisk lider af højere absorptionshastigheder i grafen såsom metasurfaces, optiske kontakter, solcelleanlæg, og andre optoelektroniske applikationer, der opererer ved infrarøde frekvenser.

Professor Jang sagde, "Vores forskning afslørede, at de ultrakomprimerede elektromagnetiske felter i akustiske grafenplasmoner kan tilgås direkte gennem nærfelts optiske mikroskopimetoder. Jeg håber, at denne erkendelse vil motivere andre forskere til at anvende AGP'er til forskellige problemer, hvor stærke lys-stof-interaktioner og lavere udbredelse der er brug for tab."