Графеновая плазмоника

Графен представляет собой двумерный нанолист с атомной толщиной всего 0,34 нм. Из-за сверхтонкой толщины графен показал множество свойств, которые сильно отличаются от его объемных аналогов из графита. Известно, что наиболее заметными преимуществами являются высокая подвижность электронов и высокая механическая прочность. ^{[ 1 ]} ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} Таким образом, он имеет потенциал для применения 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 области. Эта характеристика широкополосного поглощения также привлекла большое внимание исследовательского сообщества к использованию фотодетекторов/модуляторов на основе графена. ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}

Плазмоны — это коллективные электронные колебания, обычно возбуждаемые на металлических поверхностях источником света. Слои легированного графена также продемонстрировали эффекты поверхностных плазмонов, аналогичные эффектам тонких металлических пленок. ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]} Благодаря разработке металлических подложек или наночастиц (например, золота, серебра и меди) с графеном плазмонные свойства гибридных структур можно настроить для улучшения характеристик оптоэлектронных устройств. ^{[ 9 ]}^{[ 10 ]} Стоит отметить, что электроны металлической структуры могут перейти в зону проводимости графена. Это объясняется свойством нулевой запрещенной зоны графенового нанолиста.

Графеновые плазмоны также могут быть отделены от окружающей среды и дать начало настоящим плазмонам Дирака в диапазоне низких энергий, где длины волн превышают длину затухания. Эти графеновые плазменные резонансы наблюдались в электронной области ГГц–ТГц. ^{[ 11 ]}

Графеновая плазмоника — это новая область исследований, которая вызывает большой интерес и уже стала учебником. ^{[ 12 ]}

Приложение

Когда плазмоны резонировали на поверхности графена/металла, индуцировалось сильное электрическое поле, которое могло усилить генерацию электронно-дырочных пар в графеновом слое. ^{[ 13 ]}^{[ 14 ]} Число возбужденных электронных носителей линейно увеличивалось с напряженностью поля в соответствии с правилом Ферми. Индуцированные носители заряда гибридной наноструктуры металл/графен могут быть до 7 раз выше, чем у чистого графена, из-за плазмонного усиления.

На данный момент графеновые плазмонные эффекты были продемонстрированы для различных приложений, начиная от модуляции света и заканчивая модуляцией света. ^{[ 15 ]}^{[ 16 ]} биологическому/химическому зондированию. ^{[ 17 ]}^{[ 18 ]}^{[ 19 ]} Также сообщалось о высокоскоростном фотодетектировании со скоростью 10 Гбит/с на основе графена и 20-кратном улучшении эффективности обнаружения за счет наноструктуры графен/золото. ^{[ 20 ]} Графеновая плазмоника считается хорошей альтернативой плазмонам благородных металлов не только из-за их экономической эффективности для крупномасштабного производства, но и из-за более высокого удержания плазмоники на поверхности графена. ^{[ 21 ]}^{[ 22 ]} Улучшенное взаимодействие света и материи можно дополнительно оптимизировать и настроить с помощью электростатического вентиля. ^{[ 23 ]}^{[ 24 ]} Эти преимущества графеновой плазмоники открыли путь к обнаружению одиночных молекул и возбуждению одиночных плазмонов.

См. также

Ссылки

^ Лоу, Т.; Авурис, П. (2014). «Графеновая плазмоника для приложений от терагерцового до среднего инфракрасного диапазона». АСУ Нано . 8 (2): 1086–101. arXiv : 1403.2799 . дои : 10.1021/nn406627u . ПМИД 24484181 . S2CID 8151572 .
^ Григоренко А.Н.; Полини, М.; Новоселов, КС (2012). «Графеновая плазмоника». Природная фотоника . 6 (11): 749. arXiv : 1301.4241 . Бибкод : 2012NaPho...6..749G . дои : 10.1038/nphoton.2012.262 . S2CID 119285513 .
^ Джу, Л.; Гэн, Б.; Хорнг, Дж.; Гирит, К.; Мартин, М.; Хао, З.; Бектел, штат Ха; Лян, X.; Зеттл, А.; Шен, Ю.Р.; Ван, Ф. (2011). «Графеновая плазмоника для перестраиваемых терагерцовых метаматериалов». Природные нанотехнологии . 6 (10): 630–4. Бибкод : 2011NatNa...6..630J . дои : 10.1038/nnano.2011.146 . ПМИД 21892164 .
^ Констант, Ти Джей; Хорнетт, С.М.; Чанг, Делавэр; Хендри, Э. (2016). «Полностью оптическая генерация поверхностных плазмонов в графене». Физика природы . 12 (2): 124. arXiv : 1505.00127 . Бибкод : 2016NatPh..12..124C . дои : 10.1038/nphys3545 . S2CID 117936342 .
^ Вонг, Лян Цзе; Каминер, Идо; Илич, Огнен; Джоаннопулос, Джон Д.; Солячич, Марин (2016). «На пути к источникам инфракрасного и рентгеновского излучения на основе графеновых плазмонов» (PDF) . Природная фотоника . 10 (1): 46. Бибкод : 2016NaPho..10...46W . дои : 10.1038/nphoton.2015.223 . hdl : 1721.1/108279 . S2CID 46931686 .
^ Авад, Эхаб (21 июня 2022 г.). «Метаматериал графена, встроенный в Bundt Optenna для улучшенного сверхширокополосного инфракрасного поглощения» . Наноматериалы . 12 (13). MDPI: 2131. doi : 10.3390/nano12132131 . ПМЦ 9268047 . ПМИД 35807966 .
^ Коппенс, Ф.Х.; Чанг, Делавэр; Гарсиа Де Абахо, Ф.Дж. (2011). «Графеновая плазмоника: платформа для сильных взаимодействий света и материи». Нано-буквы . 11 (8): 3370–7. arXiv : 1104.2068 . Бибкод : 2011NanoL..11.3370K . дои : 10.1021/nl201771h . ПМИД 21766812 . S2CID 19009630 .
^ Ян, Хьюген; Лоу, Тони; Чжу, Вэньцзюань; У, Яньцин; Фрайтаг, Маркус; Ли, Сюэсун; Гвинея, Франциско; Авурис, Федон; Ся, Фэннянь (2013). «Пути затухания плазмонов среднего инфракрасного диапазона в графеновых наноструктурах». Природная фотоника . 7 (5): 394. arXiv : 1209.1984 . Бибкод : 2013NaPho...7..394Y . дои : 10.1038/nphoton.2013.57 . S2CID 119225015 .
^ Фанг, З.; Лю, З.; Ван, Ю.; Аджаян, премьер-министр; Нордландер, П.; Халас, Нью-Джерси (2012). «Сэндвич-фотоприемник с графеновой антенной». Нано-буквы . 12 (7): 3808–13. Бибкод : 2012NanoL..12.3808F . дои : 10.1021/nl301774e . ПМИД 22703522 .
^ Уидобро, Пенсильвания; Крафт, М.; Майер, SA; Пендри, Дж. Б. (2016). «Графен как настраиваемая анизотропная или изотропная плазмонная метаповерхность». АСУ Нано . 10 (5): 5499–506. дои : 10.1021/acsnano.6b01944 . hdl : 10044/1/31105 . ПМИД 27092391 . S2CID 25531842 .
^ Греф, Х.; Мел, Д.; Ростишер, М.; Банзерус, Л.; Стампфер, К.; Танигучи, Т.; Ватанабэ, К.; Бокийон, Э.; Фев, Г. (2018). «Сверхдлинноволновые плазмоны Дирака в графеновых конденсаторах». Физический журнал: Материалы . 1 (1):01ЛТ02. arXiv : 1806.08615 . дои : 10.1088/2515-7639/aadd8c . ISSN 2515-7639 . S2CID 96422025 .
^ Гонсалвеш, PAD; Перес, ЯМР (2016). Введение в графеновую плазмонику . arXiv : 1609.04450 . дои : 10.1142/9948 . ISBN 978-981-4749-97-8 . S2CID 118564287 .
^ Джадиди, ММ; Сушков, А.Б.; Майерс-Уорд, РЛ; Бойд, АК; Дэниелс, К.М.; Гаскилл, Дания; Фюрер, М.С.; Дрю, HD; Мерфи, TE (2015). «Перестраиваемые терагерцовые гибридные металл-графеновые плазмоны». Нано-буквы . 15 (10): 7099–104. arXiv : 1506.05817 . Бибкод : 2015NanoL..15.7099J . дои : 10.1021/acs.nanolett.5b03191 . ПМИД 26397718 . S2CID 16697364 .
^ Фернандес-Домингес, Антонио И.; Гарсиа-Видаль, Франсиско Х.; Мартин-Морено, Луис (2017). «Неумолимые плазмоны». Природная фотоника . 11 (1): 8. Бибкод : 2017NaPho..11....8F . дои : 10.1038/nphoton.2016.258 . S2CID 256707515 .
^ Оно, Масах; Хата, Масанори; Цунэкава, Масато; Нодзаки, Кенго; Сумикура, Хисаши; Тиба, Хисаси; Нотоми, король (2020). «Сверхбыстрое и энергоэффективное полностью оптическое переключение с загруженными графеном плазмонными волноводами с глубокой субволновой длиной» . Природная фотоника . 14 (1): 37–4 arXiv : 1907.01764 . дои : 10.1038/ s41566-019-0547-7 ISSN 1749-4893 . S2CID 195791868 .
^ Син; Лю, Юн; Мали (2018) Сяо, Фу , Мэн, Юань; Шен, Ицзе ; . .10 10.1109 (1 doi : / . ISSN 1943-0655 ) : JPHOT.2018.2789894 6600217.
^ Чен, Дж.; Бадиоли, М.; Алонсо-Гонсалес, П.; Тонграттанасири, С.; Хут, Ф.; Осмонд, Дж.; Спасенович, М.; Рожь, А.; Пескера, А.; Годиньон, П.; Элорза, Аризона; Камера, Н.; Гарсия Даун, Ф.Дж.; Хилленбранд, Р.; Коппенс, Ф.Х. (2012). «Оптическое наноизображение графеновых плазмонов с перестраиваемыми затворами». Природа 487 (7405): 77–81. arXiv : 1202.4996 . Бибкод : 2012Природа.487...77C . дои : 10.1038/nature11254 . ПМИД 22722861 . S2CID 4431470 .
^ Цзэн, С; Шрикант, К.В.; Шан, Дж; Ты, Т; Чен, CK; Инь, Ф; Байарже, Д ; Коке, П; Хо, HP; Кабашин А.В.; Йонг, КТ (2015). «Архитектура метаповерхности графен-золото для сверхчувствительного плазмонного биосенсорства». Продвинутые материалы . 27 (40): 6163–9. дои : 10.1002/adma.201501754 . hdl : 20.500.12210/45908 . ПМИД 26349431 . S2CID 205261271 .
^ Родриго, Д.; Лимай, О.; Яннер, Д.; Этезади, Д.; Гарсиа Де Абахо, Ф.Дж.; Прунери, В.; Алтуг, Х. (2015). «ПРИКЛАДНАЯ ФИЗИКА. Плазмонное биозондирование в среднем инфракрасном диапазоне с графеном». Наука . 349 (6244): 165–8. arXiv : 1506.06800 . Бибкод : 2015Sci...349..165R . дои : 10.1126/science.aab2051 . ПМИД 26160941 . S2CID 206637774 .
^ Эхтермейер, Т.Дж.; Бритнелл, Л.; Яснос, ПК; Ломбардо, А.; Горбачев Р.В.; Григоренко А.Н.; Гейм, А.К.; Феррари, AC; Новоселов, К. С. (2011). «Сильное плазмонное усиление фотоэдс в графене». Природные коммуникации . 2 (458): 458. arXiv : 1107.4176 . Бибкод : 2011NatCo...2E.458E . дои : 10.1038/ncomms1464 . ПМИД 21878912 . S2CID 942962 .
^ Гарсиа Де Абахо, Ф. Хавьер; Авурис, Федон (2014). «Графеновая плазмоника: проблемы и возможности». АСУ Фотоника . 1 (3): 135–152. arXiv : 1402.1969 . дои : 10.1021/ph400147y . S2CID 119248825 .
^ Фей, З.; Роден, А.С.; Ганнетт, В.; Дай, С.; Риган, В.; Вагнер, М.; Лю, МК; Маклеод, А.С.; Домингес, Г.; Тименс, М.; Кастро Нето, АХ; Кейльманн, Ф.; Зеттл, А.; Хилленбранд, Р.; Фоглер, ММ; Басов, Д.Н. (2013). «Электронные и плазмонные явления на границах зерен графена». Природные нанотехнологии . 8 (11): 821–5. arXiv : 1311.6827 . Бибкод : 2013NatNa...8..821F . дои : 10.1038/nnano.2013.197 . ПМИД 24122082 . S2CID 494891 .
^ Сунь, Жипей; Мартинес, Амос; Ван, Фэн (2016). «Оптические модуляторы с двумерными слоистыми материалами» . Природная фотоника . 10 (4): 227–238. arXiv : 1601.07577 . дои : 10.1038/nphoton.2016.15 . ISSN 1749-4893 . S2CID 44613238 .
^ Мэн, Юань; Ху, Футай; Шен, Ицзе; Ян, Юаньму; Сяо, Цижун; Фу, Син; Гонг, Мали (06 сентября 2018 г.). «Сверхкомпактные перестраиваемые волноводные ответвители с использованием графена с высокой направленностью и модовой селективностью» . Научные отчеты . 8 (1): 13362. doi : 10.1038/s41598-018-31555-7 . ISSN 2045-2322 . ПМК 6127104 . ПМИД 30190496 .

[1] Лоу, Т.; Авурис, П. (2014). «Графеновая плазмоника для приложений от терагерцового до среднего инфракрасного диапазона». АСУ Нано . 8 (2): 1086–101. arXiv : 1403.2799 . дои : 10.1021/nn406627u . ПМИД 24484181 . S2CID 8151572 .

[2] Григоренко А.Н.; Полини, М.; Новоселов, КС (2012). «Графеновая плазмоника». Природная фотоника . 6 (11): 749. arXiv : 1301.4241 . Бибкод : 2012NaPho...6..749G . дои : 10.1038/nphoton.2012.262 . S2CID 119285513 .

[3] Джу, Л.; Гэн, Б.; Хорнг, Дж.; Гирит, К.; Мартин, М.; Хао, З.; Бектел, штат Ха; Лян, X.; Зеттл, А.; Шен, Ю.Р.; Ван, Ф. (2011). «Графеновая плазмоника для перестраиваемых терагерцовых метаматериалов». Природные нанотехнологии . 6 (10): 630–4. Бибкод : 2011NatNa...6..630J . дои : 10.1038/nnano.2011.146 . ПМИД 21892164 .

[4] Констант, Ти Джей; Хорнетт, С.М.; Чанг, Делавэр; Хендри, Э. (2016). «Полностью оптическая генерация поверхностных плазмонов в графене». Физика природы . 12 (2): 124. arXiv : 1505.00127 . Бибкод : 2016NatPh..12..124C . дои : 10.1038/nphys3545 . S2CID 117936342 .

[5] Вонг, Лян Цзе; Каминер, Идо; Илич, Огнен; Джоаннопулос, Джон Д.; Солячич, Марин (2016). «На пути к источникам инфракрасного и рентгеновского излучения на основе графеновых плазмонов» (PDF) . Природная фотоника . 10 (1): 46. Бибкод : 2016NaPho..10...46W . дои : 10.1038/nphoton.2015.223 . hdl : 1721.1/108279 . S2CID 46931686 .

[6] Авад, Эхаб (21 июня 2022 г.). «Метаматериал графена, встроенный в Bundt Optenna для улучшенного сверхширокополосного инфракрасного поглощения» . Наноматериалы . 12 (13). MDPI: 2131. doi : 10.3390/nano12132131 . ПМЦ 9268047 . ПМИД 35807966 .

[7] Коппенс, Ф.Х.; Чанг, Делавэр; Гарсиа Де Абахо, Ф.Дж. (2011). «Графеновая плазмоника: платформа для сильных взаимодействий света и материи». Нано-буквы . 11 (8): 3370–7. arXiv : 1104.2068 . Бибкод : 2011NanoL..11.3370K . дои : 10.1021/nl201771h . ПМИД 21766812 . S2CID 19009630 .

[8] Ян, Хьюген; Лоу, Тони; Чжу, Вэньцзюань; У, Яньцин; Фрайтаг, Маркус; Ли, Сюэсун; Гвинея, Франциско; Авурис, Федон; Ся, Фэннянь (2013). «Пути затухания плазмонов среднего инфракрасного диапазона в графеновых наноструктурах». Природная фотоника . 7 (5): 394. arXiv : 1209.1984 . Бибкод : 2013NaPho...7..394Y . дои : 10.1038/nphoton.2013.57 . S2CID 119225015 .

[9] Фанг, З.; Лю, З.; Ван, Ю.; Аджаян, премьер-министр; Нордландер, П.; Халас, Нью-Джерси (2012). «Сэндвич-фотоприемник с графеновой антенной». Нано-буквы . 12 (7): 3808–13. Бибкод : 2012NanoL..12.3808F . дои : 10.1021/nl301774e . ПМИД 22703522 .

[10] Уидобро, Пенсильвания; Крафт, М.; Майер, SA; Пендри, Дж. Б. (2016). «Графен как настраиваемая анизотропная или изотропная плазмонная метаповерхность». АСУ Нано . 10 (5): 5499–506. дои : 10.1021/acsnano.6b01944 . hdl : 10044/1/31105 . ПМИД 27092391 . S2CID 25531842 .

[11] Греф, Х.; Мел, Д.; Ростишер, М.; Банзерус, Л.; Стампфер, К.; Танигучи, Т.; Ватанабэ, К.; Бокийон, Э.; Фев, Г. (2018). «Сверхдлинноволновые плазмоны Дирака в графеновых конденсаторах». Физический журнал: Материалы . 1 (1):01ЛТ02. arXiv : 1806.08615 . дои : 10.1088/2515-7639/aadd8c . ISSN 2515-7639 . S2CID 96422025 .

[12] Гонсалвеш, PAD; Перес, ЯМР (2016). Введение в графеновую плазмонику . arXiv : 1609.04450 . дои : 10.1142/9948 . ISBN 978-981-4749-97-8 . S2CID 118564287 .

[13] Джадиди, ММ; Сушков, А.Б.; Майерс-Уорд, РЛ; Бойд, АК; Дэниелс, К.М.; Гаскилл, Дания; Фюрер, М.С.; Дрю, HD; Мерфи, TE (2015). «Перестраиваемые терагерцовые гибридные металл-графеновые плазмоны». Нано-буквы . 15 (10): 7099–104. arXiv : 1506.05817 . Бибкод : 2015NanoL..15.7099J . дои : 10.1021/acs.nanolett.5b03191 . ПМИД 26397718 . S2CID 16697364 .

[14] Фернандес-Домингес, Антонио И.; Гарсиа-Видаль, Франсиско Х.; Мартин-Морено, Луис (2017). «Неумолимые плазмоны». Природная фотоника . 11 (1): 8. Бибкод : 2017NaPho..11....8F . дои : 10.1038/nphoton.2016.258 . S2CID 256707515 .

[15] Оно, Масах; Хата, Масанори; Цунэкава, Масато; Нодзаки, Кенго; Сумикура, Хисаши; Тиба, Хисаси; Нотоми, король (2020). «Сверхбыстрое и энергоэффективное полностью оптическое переключение с загруженными графеном плазмонными волноводами с глубокой субволновой длиной» . Природная фотоника . 14 (1): 37–4 arXiv : 1907.01764 . дои : 10.1038/ s41566-019-0547-7 ISSN 1749-4893 . S2CID 195791868 .

[16] Син; Лю, Юн; Мали (2018) Сяо, Фу , Мэн, Юань; Шен, Ицзе ; . .10 10.1109 (1 doi : / . ISSN 1943-0655 ) : JPHOT.2018.2789894 6600217.

[17] Чен, Дж.; Бадиоли, М.; Алонсо-Гонсалес, П.; Тонграттанасири, С.; Хут, Ф.; Осмонд, Дж.; Спасенович, М.; Рожь, А.; Пескера, А.; Годиньон, П.; Элорза, Аризона; Камера, Н.; Гарсия Даун, Ф.Дж.; Хилленбранд, Р.; Коппенс, Ф.Х. (2012). «Оптическое наноизображение графеновых плазмонов с перестраиваемыми затворами». Природа 487 (7405): 77–81. arXiv : 1202.4996 . Бибкод : 2012Природа.487...77C . дои : 10.1038/nature11254 . ПМИД 22722861 . S2CID 4431470 .

[18] Цзэн, С; Шрикант, К.В.; Шан, Дж; Ты, Т; Чен, CK; Инь, Ф; Байарже, Д ; Коке, П; Хо, HP; Кабашин А.В.; Йонг, КТ (2015). «Архитектура метаповерхности графен-золото для сверхчувствительного плазмонного биосенсорства». Продвинутые материалы . 27 (40): 6163–9. дои : 10.1002/adma.201501754 . hdl : 20.500.12210/45908 . ПМИД 26349431 . S2CID 205261271 .

[19] Родриго, Д.; Лимай, О.; Яннер, Д.; Этезади, Д.; Гарсиа Де Абахо, Ф.Дж.; Прунери, В.; Алтуг, Х. (2015). «ПРИКЛАДНАЯ ФИЗИКА. Плазмонное биозондирование в среднем инфракрасном диапазоне с графеном». Наука . 349 (6244): 165–8. arXiv : 1506.06800 . Бибкод : 2015Sci...349..165R . дои : 10.1126/science.aab2051 . ПМИД 26160941 . S2CID 206637774 .

[20] Эхтермейер, Т.Дж.; Бритнелл, Л.; Яснос, ПК; Ломбардо, А.; Горбачев Р.В.; Григоренко А.Н.; Гейм, А.К.; Феррари, AC; Новоселов, К. С. (2011). «Сильное плазмонное усиление фотоэдс в графене». Природные коммуникации . 2 (458): 458. arXiv : 1107.4176 . Бибкод : 2011NatCo...2E.458E . дои : 10.1038/ncomms1464 . ПМИД 21878912 . S2CID 942962 .

[21] Гарсиа Де Абахо, Ф. Хавьер; Авурис, Федон (2014). «Графеновая плазмоника: проблемы и возможности». АСУ Фотоника . 1 (3): 135–152. arXiv : 1402.1969 . дои : 10.1021/ph400147y . S2CID 119248825 .

[22] Фей, З.; Роден, А.С.; Ганнетт, В.; Дай, С.; Риган, В.; Вагнер, М.; Лю, МК; Маклеод, А.С.; Домингес, Г.; Тименс, М.; Кастро Нето, АХ; Кейльманн, Ф.; Зеттл, А.; Хилленбранд, Р.; Фоглер, ММ; Басов, Д.Н. (2013). «Электронные и плазмонные явления на границах зерен графена». Природные нанотехнологии . 8 (11): 821–5. arXiv : 1311.6827 . Бибкод : 2013NatNa...8..821F . дои : 10.1038/nnano.2013.197 . ПМИД 24122082 . S2CID 494891 .

[23] Сунь, Жипей; Мартинес, Амос; Ван, Фэн (2016). «Оптические модуляторы с двумерными слоистыми материалами» . Природная фотоника . 10 (4): 227–238. arXiv : 1601.07577 . дои : 10.1038/nphoton.2016.15 . ISSN 1749-4893 . S2CID 44613238 .

[24] Мэн, Юань; Ху, Футай; Шен, Ицзе; Ян, Юаньму; Сяо, Цижун; Фу, Син; Гонг, Мали (06 сентября 2018 г.). «Сверхкомпактные перестраиваемые волноводные ответвители с использованием графена с высокой направленностью и модовой селективностью» . Научные отчеты . 8 (1): 13362. doi : 10.1038/s41598-018-31555-7 . ISSN 2045-2322 . ПМК 6127104 . ПМИД 30190496 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]

[ 23 ]

[ 24 ]