Thermische manipulatie van plasmonen in atomair dunne films

Oppervlakte-plasmonen in grafeen zijn het afgelopen decennium uitgebreid bestudeerd vanwege hun zeer aantrekkelijke eigenschappen, zoals de sterke afstembaarheid van de optische eigenschappen door elektrische poorten en de relatief hoge plasmon-levensduur. Deze uitzonderlijke eigenschappen zijn echter beperkt tot lagere frequenties, variërend van de midden-infrarood (midden-IR) tot de terahertz (THz) spectrale gebieden. Bovendien kan de elektrische afstembaarheid van grafeen niet op een supersnelle manier worden bereikt, wat een obstakel vormt voor de toepassing ervan op snelle technologische apparaten die steeds belangrijker worden.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Light Science & Application, heeft een team van ICFO-Institut de Ciencies Fotoniques (Barcelona, ​​Spanje) een volledig optische techniek voorgesteld om de plasmonische respons van op grafeen en / of dunmetaal gebaseerde systemen op een ultrasnelle manier te moduleren, in een spectrum variërend van midden -infrarood tot zichtbare (vis-NIR) frequenties. Ze stellen een pompsonde-opstelling voor waarbij een ultrasnelle en zeer intense pompstraal wordt gebruikt om de elektronen van het grafeen te verwarmen. Gebaseerd op de lage warmtecapaciteit van dit 2D-materiaal – wat betekent dat een kleine hoeveelheid energie die door dit materiaal wordt geabsorbeerd, een grote stijging van de temperatuur van de elektronen kan veroorzaken – en van de sterke afhankelijkheid van de geleidbaarheid van grafeen met zijn elektronische temperatuur, de optische eigenschappen van het systeem worden gemoduleerd door de elektronische temperatuurstijging, en dit kan worden gemeten door de sondebundel.

Interessant is dat deze techniek kan worden gebruikt om plasmonen volledig optisch te exciteren, niet alleen in het grafeenvel, maar ook in een dunne metalen laag ernaast. Naar aanleiding van een eerder werk van dezelfde groep, stellen ze voor om dit te doen door een pompstraal zo te ontwerpen dat de golffrontintensiteit periodiek ruimtelijk varieert. Als zodanig varieert de elektronische temperatuur in grafeen (en vervolgens de geleidbaarheid) ook lokaal in het oppervlak van het vel, wat fungeert als een effectief rooster dat de sondebundel verstrooit en in plasmonen koppelt. Afhankelijk van de golflengte van de sondebundel en de aanwezigheid van een metalen dunne film nabij het grafeenvel, kan deze techniek worden gebruikt om ofwel grafeenplasmonen (midden-IR), metalen plasmonen (vis-NIR) of hybride akoestische plasmonen (THz) op te wekken. ). “Op deze manier kunnen plasmonen worden opgewekt en gemanipuleerd in een breed spectraal bereik zonder de noodzaak van laterale patronen of het gebruik van externe apparaten, zoals SNOM-tips, om propagerend licht te koppelen aan plasmonen”, aldus de auteurs.

Aan de andere kant stellen de auteurs voor om fotothermische effecten op nanoschaal te gebruiken om ultrasnelle modulatie van licht te bereiken. Ze stellen zich een structuur voor die bestaat uit een dun metalen rooster bovenop een grafeenplaat gedoteerd tot een bepaald Fermi-niveau. Door vervolgens de temperatuur van de grafeenelektronen via een pompbundel te verhogen, zal het chemische potentieel van grafeen afnemen en zullen de interbandovergangen in grafeen significant worden bij lagere energieën, en zal de plasmonische piek die wordt gemeten door de reflectie van een sondebundel, doven. . “De temperatuur van grafeenelektronen kan enkele duizenden Kelvin bereiken, wat resulteert in een demping van de reflectiepiek tot 70%”, beweren de auteurs. Een soortgelijk effect is waar te nemen in akoestische plasmonen van grafeen, maar in dit geval is de reden voor het blussen de toename van de inelastische verliezen van grafeen met de elektronische temperatuur. “In beide gevallen is de modulatie van de optische respons supersnel, in tegenstelling tot alternatieve manieren om de respons te moduleren, zoals het elektrisch veranderen van het Fermi-niveau van grafeen”, aldus de auteurs.

“Onze studie opent een veelbelovende weg naar de actieve fotothermische manipulatie van de optische respons in atomair dunne materialen met mogelijke toepassingen in ultrasnelle lichtmodulatie”, concluderen de auteurs.