Автор AZoNano 17 марта 2021

Исследователи KAIST и их сотрудники в стране и за рубежом успешно продемонстрировали новую методологию прямого оптического изображения в ближнем поле акустических графеновых плазмонных полей.

Эта стратегия обеспечит прорыв в практическом применении акустических графеновых плазмонных платформ в высокопроизводительных оптоэлектронных устройствах на основе графена следующего поколения с улучшенными взаимодействиями света и вещества и меньшими потерями при распространении.

Недавно было продемонстрировано, что «графеновые плазмоны» – коллективные колебания свободных электронов в графене, связанные с электромагнитными световыми волнами – могут быть использованы для захвата и сжатия оптических волн внутри очень тонкого диэлектрического слоя, отделяющего графен от металлического листа.

В такой конфигурации электроны проводимости графена «отражаются» в металле, поэтому, когда световые волны «толкают» электроны в графене, их заряды изображения в металле также начинают колебаться. Этот новый тип коллективных электронных колебаний получил название «акустический графеновый плазмон (AGP)»

Существование AGP ранее можно было наблюдать только с помощью косвенных методов, таких как инфракрасная спектроскопия в дальней зоне и картирование фототока.

Это косвенное наблюдение было ценой, которую исследователям пришлось заплатить за сильное сжатие оптических волн внутри нанометровых структур. Считалось, что интенсивность электромагнитных полей вне устройства недостаточна для прямого оптического изображения AGP в ближнем поле.

Столкнувшись с этими ограничениями, три исследовательские группы объединили свои усилия, чтобы объединить уникальную экспериментальную технику с использованием передовых методов нанопроизводства. Их результаты были опубликованы в Nature Communications 19 февраля.

Исследовательская группа KAIST во главе с профессором Мин Сок Джанг из Школы электротехники использовала высокочувствительный сканирующий ближнепольный оптический микроскоп рассеивающего типа (s-SNOM) для прямого измерения оптических полей волн AGP, распространяющихся в нанометровый волновод, впервые визуализирующий тысячукратное сжатие среднего инфракрасного света.

Профессор Янг и научный сотрудник его группы Сергей Г. Менабде успешно получили прямые изображения волн AGP, воспользовавшись преимуществом их быстро затухающего, но всегда присутствующего электрического поля над графеном. Они показали, что AGP можно обнаружить, даже когда большая часть их энергии проходит внутри диэлектрика под графеном.

Это стало возможным благодаря сверхгладким поверхностям внутри нановолноводов, по которым плазмонные волны могут распространяться на большие расстояния. Режим AGP, исследованный исследователями, был в 2,3 раза более ограниченным и показал в 1,4 раза более высокий показатель качества с точки зрения нормализованной длины распространения по сравнению с поверхностным плазмоном графена в аналогичных условиях.

Эти сверхгладкие наноструктуры волноводов, использованных в эксперименте, были созданы профессором Сан-Хен О и исследователем, доктором наук, Ин-Хо Ли, с помощью метода снятия шаблона с кафедры электротехники и компьютерной инженерии. Университет Миннесоты.

Профессор Янг Хи Ли и его исследователи из Центра интегрированной физики наноструктур (CINAP) Института фундаментальных наук (IBS) Университета Сунгюнкван синтезировали графен с монокристаллической структурой, и этот высококачественный графен большой площади позволил распространение плазмонов с низкими потерями.

Химические и физические свойства многих важных органических молекул могут быть обнаружены и оценены по их характеристикам поглощения в средней инфракрасной области спектра.

Однако обычные методы обнаружения требуют большого количества молекул для успешного обнаружения, тогда как сверхсжатые поля AGP могут обеспечивать сильные взаимодействия света и вещества на микроскопическом уровне, тем самым значительно повышая чувствительность обнаружения до одной молекулы.

Кроме того, исследование, проведенное профессором Янгом и его командой, продемонстрировало, что AGP среднего инфракрасного диапазона по своей природе менее чувствительны к потерям в графене, поскольку их поля в основном ограничены диэлектриком.

Результаты, представленные исследовательской группой, предполагают, что AGP могут стать многообещающей платформой для электрически настраиваемых оптоэлектронных устройств на основе графена, которые обычно страдают от более высоких скоростей поглощения в графене, таких как метаповерхности, оптические переключатели, фотоэлектрические и другие оптоэлектронные приложения, работающие на инфракрасных частотах .

Профессор Джанг сказал: «Наше исследование показало, что к сверхсжатым электромагнитным полям акустических графеновых плазмонов можно получить прямой доступ с помощью методов ближнепольной оптической микроскопии. Я надеюсь, что это осознание побудит других исследователей применять AGP в различных областях. проблемы, в которых необходимы сильные взаимодействия света и вещества и меньшие потери при распространении ".

Это исследование в основном финансировалось Центром финансирования исследований и инкубации Samsung компании Samsung Electronics. Национальный исследовательский фонд Кореи (NRF), Национальный научный фонд США (NSF), программа Samsung Global Research Outreach (GRO) и Институт фундаментальных наук Кореи (IBS) также поддержали эту работу.

Источник: https://www.kaist.ac.kr/en/