Akoestische grafeenplasmonenstudie baant de weg voor opto-elektronische toepassingen

KAIST-onderzoekers en hun medewerkers in binnen- en buitenland hebben met succes een nieuwe methodologie gedemonstreerd voor directe optische beeldvorming in het nabije veld van akoestische grafeenplasmonvelden. Deze strategie zal een doorbraak opleveren voor de praktische toepassingen van akoestische grafeenplasmonplatforms in de volgende generatie, hoogwaardige, op grafeen gebaseerde opto-elektronische apparaten met verbeterde licht-materie-interacties en lager voortplantingsverlies.

Onlangs is aangetoond dat grafeenplasmonen, collectieve oscillaties van vrije elektronen in grafeen gekoppeld aan elektromagnetische lichtgolven, kunnen worden gebruikt om optische golven op te vangen en te comprimeren in een zeer dunne diëlektrische laag die grafeen scheidt van een metalen plaat. In een dergelijke configuratie worden de geleidingselektronen van grafeen “gereflecteerd” in het metaal, dus wanneer de lichtgolven de elektronen in grafeen “duwen”, beginnen hun beeldladingen in metaal ook te oscilleren. Dit nieuwe type collectieve elektronische oscillatiemodus wordt ‘akoestisch grafeenplasmon (AGP)’ genoemd.

Het bestaan ​​van AGP kon voorheen alleen worden waargenomen via indirecte methoden zoals verre-veld infraroodspectroscopie en fotostroom mapping. Deze indirecte waarneming was de prijs die onderzoekers moesten betalen voor de sterke compressie van optische golven in nanometerdunne structuren. Aangenomen werd dat de intensiteit van elektromagnetische velden buiten het apparaat onvoldoende was voor directe optische beeldvorming in het nabije veld van AGP.

Uitgedaagd door deze beperkingen, bundelden drie onderzoeksgroepen hun inspanningen om een ​​unieke experimentele techniek samen te brengen met behulp van geavanceerde nanofabricagemethoden. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Nature Communications op 19 februari.

Een KAIST-onderzoeksteam onder leiding van professor Min Seok Jang van de School of Electrical Engineering gebruikte een zeer gevoelige scattering-type scanning near-field optische microscoop (s-SNOM) om direct de optische velden te meten van de AGP-golven die zich voortplanten in een nanometerdunne golfgeleider, die voor het eerst duizendvoudige compressie van midden-infrarood licht visualiseert.

Professor Jang en een postdoc-onderzoeker in zijn groep, Sergey G. Menabde, hebben met succes directe beelden van AGP-golven verkregen door gebruik te maken van hun snel rottende maar altijd aanwezige elektrische veld boven grafeen. Ze toonden aan dat AGP’s detecteerbaar zijn, zelfs als het grootste deel van hun energie binnen het diëlektricum onder het grafeen stroomt.

Dit werd mogelijk dankzij de ultragladde oppervlakken in de nanogolfgeleiders waar plasmonische golven zich over grotere afstanden kunnen voortplanten. De AGP-modus die door de onderzoekers werd onderzocht, was tot 2,3 keer meer beperkt en vertoonde een 1,4 keer hoger cijfer van verdienste in termen van de genormaliseerde voortplantingslengte in vergelijking met het oppervlakteplasmon van grafeen onder vergelijkbare omstandigheden.

Deze ultragladde nanostructuren van de golfgeleiders die in het experiment werden gebruikt, zijn gemaakt met behulp van een sjabloonstripmethode door professor Sang-Hyun Oh en een postdoc-onderzoeker, In-Ho Lee, van de afdeling Electrical and Computer Engineering aan de University of Minnesota.

Professor Young Hee Lee en zijn onderzoekers van het Center for Integrated Nanostructure Physics (CINAP) van het Institute of Basic Science (IBS) aan de Sungkyunkwan University synthetiseerden het grafeen met een monokristallijne structuur, en dit hoogwaardige grafeen met een groot oppervlak maakte verlies plasmonische voortplanting.

De chemische en fysische eigenschappen van veel belangrijke organische moleculen kunnen worden gedetecteerd en geëvalueerd aan de hand van hun absorptiesignaturen in het midden-infraroodspectrum. Conventionele detectiemethoden vereisen echter een groot aantal moleculen voor een succesvolle detectie, terwijl de ultragecomprimeerde AGP-velden sterke licht-materie-interacties op microscopisch niveau kunnen bieden, waardoor de detectiegevoeligheid tot op een enkel molecuul aanzienlijk wordt verbeterd.

Bovendien toonde de studie van professor Jang en het team aan dat de mid-infrarood AGP’s inherent minder gevoelig zijn voor verliezen in grafeen omdat hun velden grotendeels beperkt zijn tot het diëlektricum. De gerapporteerde resultaten van het onderzoeksteam suggereren dat AGP’s een veelbelovend platform kunnen worden voor elektrisch afstembare, op grafeen gebaseerde opto-elektronische apparaten die doorgaans last hebben van hogere absorptiesnelheden in grafeen, zoals metasoppervlakken, optische schakelaars, fotovoltaïsche cellen en andere opto-elektronische toepassingen die werken op infraroodfrequenties.

Professor Jang zei: “Ons onderzoek heeft uitgewezen dat de ultragecomprimeerde elektromagnetische velden van akoestische grafeenplasmonen direct toegankelijk zijn via optische microscopiemethoden in het nabije veld. Ik hoop dat dit besef andere onderzoekers zal motiveren om AGP’s toe te passen op verschillende problemen waar sterk licht van belang is. interacties en minder voortplantingsverlies zijn nodig. ”