Плазмоника графена - Graphene plasmonics

Графен представляет собой двумерный нанолист с атомной тонкой толщиной 0,34 нм. Из-за сверхтонкой толщины графен показал множество свойств, которые сильно отличаются от его аналогов в массивном графите. Известно, что наиболее заметными преимуществами являются их высокая подвижность электронов и высокая механическая прочность.[1][2][3] Таким образом, он демонстрирует потенциал для приложений в оптике и электронике, особенно для разработки носимых устройств в качестве гибких подложек. Что еще более важно, степень оптического поглощения графена составляет 2,3% в видимой и ближней инфракрасной областях. Эта широкополосная характеристика поглощения также привлекла большое внимание исследовательского сообщества к использованию фотодетекторов / модуляторов на основе графена.[4][5]

Плазмоны коллективные электронные колебания, обычно возбуждаемые на металлических поверхностях источником света. Легированные слои графена также продемонстрировали эффекты поверхностного плазмона, аналогичные эффектам металлических тонких пленок.[6][7] Путем разработки металлических подложек или наночастиц (например, золота, серебра и меди) с графеном плазмонные свойства гибридных структур могут быть настроены для улучшения характеристик оптоэлектронных устройств.[8][9] Стоит отметить, что электроны на металлической структуре могут переходить в зону проводимости графена. Это объясняется свойством нулевой запрещенной зоны графенового нанолиста.

Графеновые плазмоны также могут быть отделены от окружающей их среды и вызывать настоящий плазмон Дирака в области низких энергий, где длины волн превышают длину затухания. Эти плазменные резонансы графена наблюдались в электронной области ГГц – ТГц.[10]

Плазмоника графена - это новая область исследований, которая вызывает большой интерес и уже стала учебником.[11]

Заявление

Когда плазмоны резонируют на поверхности графена / металла, возникает сильное электрическое поле, которое может усилить генерацию электронно-дырочных пар в слое графена.[12][13] Число возбужденных электронных носителей линейно возрастало с увеличением напряженности поля в соответствии с правилом Ферми. Индуцированные носители заряда гибридной наноструктуры металл / графен могут быть до 7 раз выше, чем носители чистого графена, из-за плазмонного усиления.

До сих пор плазмонные эффекты графена были продемонстрированы для различных приложений, начиная от модуляции света и заканчивая биологическим / химическим зондированием.[14][15][16] Также сообщалось о высокоскоростном фотодетектировании со скоростью 10 Гбит / с на основе графена и 20-кратном улучшении эффективности обнаружения с помощью наноструктуры графен / золото.[17] Плазмоники графена считаются хорошей альтернативой плазмонам из благородных металлов не только из-за их рентабельности для крупномасштабного производства, но и из-за более сильного удержания плазмоники на поверхности графена.[18][19] Улучшенные взаимодействия света и материи могут быть дополнительно оптимизированы и настроены с помощью электростатического стробирования. Эти преимущества плазмоники графена открыли путь для обнаружения одиночных молекул и возбуждения одиночных плазмонов.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Низкий, Т .; Авурис, П. (2014). «Графеновая плазмоника для терагерцовых и средних инфракрасных диапазонов». САУ Нано. 8 (2): 1086–101. arXiv:1403.2799. Дои:10.1021 / nn406627u. PMID  24484181.
  2. ^ Григоренко, А. Н .; Полини, М .; Новоселов, К. С. (2012). «Плазмоника графена». Природа Фотоника. 6 (11): 749. arXiv:1301.4241. Bibcode:2012НаФо ... 6..749Г. Дои:10.1038 / nphoton.2012.262.
  3. ^ Ju, L .; Geng, B .; Хорнг, Дж .; Girit, C .; Martin, M .; Hao, Z .; Bechtel, H.A .; Лян, X .; Zettl, A .; Shen, Y.R .; Ван Ф. (2011). «Графеновая плазмоника для перестраиваемых терагерцовых метаматериалов». Природа Нанотехнологии. 6 (10): 630–4. Bibcode:2011НатНа ... 6..630J. Дои:10.1038 / nnano.2011.146. PMID  21892164.
  4. ^ Константа, Т. Дж .; Hornett, S.M .; Чанг, Д. Э .; Хендри, Э. (2016). «Полностью оптическая генерация поверхностных плазмонов в графене». Природа Физика. 12 (2): 124. arXiv:1505.00127. Bibcode:2016НатФ..12..124С. Дои:10.1038 / nphys3545.
  5. ^ Вонг, Лян Цзе; Каминер, Идо; Илич, Огнен; Joannopoulos, John D .; Солячич, Марин (2016). «К рентгеновскому излучению от свободных электронов на основе графенового плазмона» (PDF). Природа Фотоника. 10 (1): 46. Bibcode:2016НаФо..10 ... 46Вт. Дои:10.1038 / nphoton.2015.223. HDL:1721.1/108279.
  6. ^ Koppens, F.H .; Чанг, Д. Э .; Гарсия Де Абахо, Ф. Дж. (2011). «Плазмоника графена: платформа для сильных взаимодействий света и вещества». Нано буквы. 11 (8): 3370–7. arXiv:1104.2068. Bibcode:2011NanoL..11.3370K. Дои:10.1021 / nl201771h. PMID  21766812.
  7. ^ Ян, Хьюген; Низкий, Тони; Чжу, Вэньцзюань; У, Яньцин; Фрайтаг, Маркус; Ли, Сюэсон; Гвинея, Франсиско; Авурис, Федон; Ся, Fengnian (2013). «Демпфирующие пути плазмонов среднего инфракрасного диапазона в графеновых наноструктурах». Природа Фотоника. 7 (5): 394. arXiv:1209.1984. Bibcode:2013НаФо ... 7..394л. Дои:10.1038 / nphoton.2013.57.
  8. ^ Fang, Z .; Liu, Z .; Wang, Y .; Ajayan, P.M .; Nordlander, P .; Халас, Н. Дж. (2012). «Сэндвич-фотоприемник с графеновой антенной». Нано буквы. 12 (7): 3808–13. Bibcode:2012NanoL..12.3808F. Дои:10.1021 / nl301774e. PMID  22703522.
  9. ^ Huidobro, P.A .; Крафт, М .; Maier, S.A .; Пендри, Дж. Б. (2016). «Графен как настраиваемая анизотропная или изотропная плазмонная метаповерхность». САУ Нано. 10 (5): 5499–506. Дои:10.1021 / acsnano.6b01944. HDL:10044/1/31105. PMID  27092391.
  10. ^ Graef, H .; Mele, D .; Rosticher, M .; Banszerus, L .; Stampfer, C .; Taniguchi, T .; Watanabe, K .; Bocquillon, E .; Фев, Г. (2018). «Сверхдлинноволновые плазмоны Дирака в графеновых конденсаторах». Журнал физики: материалы. 1 (1): 01LT02. arXiv:1806.08615. Дои:10.1088 / 2515-7639 / aadd8c. ISSN  2515-7639.
  11. ^ Gonçalves, P.A.D .; Перес, Н. М. Р. (2016). Введение в плазмонику графена. arXiv:1609.04450. Дои:10.1142/9948. ISBN  978-981-4749-97-8.
  12. ^ Джадиди, М. М .; Сушков, А.Б .; Myers-Ward, R.L .; Boyd, A.K .; Дэниэлс, К. М .; Гаскилл, Д. К .; Fuhrer, M. S .; Дрю, H.D .; Мерфи, Т. Э. (2015). "Настраиваемые терагерцовые гибридные плазмоны металл-графен". Нано буквы. 15 (10): 7099–104. arXiv:1506.05817. Bibcode:2015NanoL..15.7099J. Дои:10.1021 / acs.nanolett.5b03191. PMID  26397718.
  13. ^ Фернандес-Домингес, Антонио I .; Гарсия-Видаль, Франсиско Дж .; Мартин-Морено, Луис (2017). «Неумолимые плазмоны». Природа Фотоника. 11 (1): 8. Bibcode:2017НаФо..11 .... 8F. Дои:10.1038 / nphoton.2016.258.
  14. ^ Chen, J .; Badioli, M .; Alonso-González, P .; Thongrattanasiri, S .; Huth, F .; Osmond, J .; Спасенович, М .; Centeno, A .; Pesquera, A .; Godignon, P .; Elorza, A. Z .; Camara, N .; García De Abajo, F.J .; Hillenbrand, R .; Коппенс, Ф. Х. (2012). «Оптическое наноизображение перестраиваемых затвором графеновых плазмонов». Природа. 487 (7405): 77–81. arXiv:1202.4996. Bibcode:2012Натура 487 ... 77C. Дои:10.1038 / природа11254. PMID  22722861.
  15. ^ Цзэн, С; Sreekanth, K. V; Шан, Дж; Ю, Т; Chen, C.K; Инь, F; Baillargeat, D; Coquet, P; Ho, H.P; Кабашин, А. В; Йонг, К. Т (2015). "Архитектура метаповерхности графен-золото для сверхчувствительного плазмонного биочувствительности". Современные материалы. 27 (40): 6163–9. Дои:10.1002 / adma.201501754. PMID  26349431.
  16. ^ Родриго, Д .; Limaj, O .; Janner, D .; Etezadi, D .; García De Abajo, F.J .; Pruneri, V .; Алтуг, Х. (2015). «ПРИКЛАДНАЯ ФИЗИКА. Плазмонный биосенсор в среднем инфракрасном диапазоне с использованием графена». Наука. 349 (6244): 165–8. arXiv:1506.06800. Bibcode:2015Научный ... 349..165R. Дои:10.1126 / science.aab2051. PMID  26160941.
  17. ^ Echtermeyer, T. J .; Britnell, L .; Jasnos, P.K .; Lombardo, A .; Горбачев, Р. В .; Григоренко, А. Н .; Гейм, А.К .; Ferrari, A.C .; Новоселов, К. С. (2011). «Сильное плазмонное усиление фотоэдс в графене». Nature Communications. 2 (458): 458. arXiv:1107.4176. Bibcode:2011 НатКо ... 2E.458E. Дои:10.1038 / ncomms1464. PMID  21878912.
  18. ^ Гарсиа Де Абахо, Ф. Хавьер; Авурис, Федон (2014). «Плазмоника графена: проблемы и возможности». ACS Photonics. 1 (3): 135–152. arXiv:1402.1969. Дои:10.1021 / ph400147y.
  19. ^ Fei, Z .; Родин, А. С .; Gannett, W .; Dai, S .; Regan, W .; Вагнер, М .; Лю, М. К .; McLeod, A. S .; Dominguez, G .; Thiemens, M .; Castro Neto, A.H .; Keilmann, F .; Zettl, A .; Hillenbrand, R .; Фоглер, М. М .; Басов, Д. Н. (2013). «Электронные и плазмонные явления на границах зерен графена». Природа Нанотехнологии. 8 (11): 821–5. arXiv:1311.6827. Bibcode:2013НатНа ... 8..821F. Дои:10.1038 / nnano.2013.197. PMID  24122082.