石墨烯TE模表面等离子体波和表面等离子体波导的特性 下载: 1270次
1 引言
表面等离子体波(SPs)是一种非辐射电磁表面波。SPs由电磁波耦合到金属表面,经电荷激发形成,并在介电常数相反的界面上传播[1]。SPs局域性强,可以突破衍射极限,因而在光学生物传感器、发射器和相关波导器件[2-3]等许多方面具有潜在的应用价值。一般情况下,采用贵金属支持SPs,但是通常所用的贵金属SPs传播损耗太大,并且在共振频率处发生饱和[4],故需要寻求新材料来取代贵金属。
石墨烯[5]是一种以六边形蜂窝状结构排列的二维单层碳原子结构。石墨烯的能带结构为线性,且其价带与导带相交于狄拉克点[6]。这使得石墨烯具有许多优异的特性[7],例如载流子迁移率高[8],载流子响应快,静电调谐宽,近红外和可见光波段的光吸收率为2.3%[9]等。有学者将石墨烯引入SPs,得到了石墨烯表面等离子体波(GSPs)。研究表明,GSPs约束性更强,传输距离更远,损耗更低,在纳米光电、等离子体领域表现出巨大的应用前景[10]。通过近场红外纳米成像技术,Fei等[11-12]已用实验证明了GSPs的存在。GSPs的激发则可以通过在原子力显微镜上施加红外光束[11]、利用偶极子发射器[13]或者设计石墨烯的几何结构[14]等方式实现。
Falkovsky等[15]给出了石墨烯的电导率为复数。电导率虚部的正负决定了石墨烯相对介电函数的正负。当电导率虚部为正数时,石墨烯表现为金属性,可以支持横磁(TM)模的SPs。当电导率虚部为负数时,石墨烯支持横电(TE)模的SPs[16-17],这一性质与只支持TM模传播的金属不同。此外,GSPs比金属支持的SPs更具可控性,可以通过化学掺杂、施加电场、磁场以及栅极电压等方法调节GSPs的振幅和波长[18-19]。
根据石墨烯的电导率特性,TM模的GSPs传播范围大约在太赫兹(THz)和远红外波段,而TE模的大约在近红外波段[20]。很多文献报道了TM模特性的研究结果,如含石墨烯的双层结构[21-23],三层介质的石墨烯平板波导结构[24-27],多层介质添加单层石墨烯形成的结构[28-29],介质加载型石墨烯结构[3,30],高脊状、带状、锥状石墨烯结构[2,22,31]等。相比于高损耗的贵金属SPs,这些结构中TM模的GSPs都表现出更强的约束性和更好的可控性[32]。目前,有关约束性相对较弱的TE模的研究较少。但是TE模的GSPs损耗低、极化特性强、相速度快等特点在光电方面极具应用价值。Mikhailov等[16]在2007年预测了当石墨烯电导率的虚部为负时,GSPs存在TE模。Jablan等[33]在2011年预测了双层GSPs也存在TE模,且其约束性比单层GSPs强,同时认为双层GSPs具有很强的极化特性。Bao等[34]利用波导在漏模处TE模损耗小于TM模的特性制成了基于石墨烯的光学偏振器。He等[21,35]从理论上研究了夹杂石墨烯双层结构中TE模的GSPs,且在覆层和基底层介电常数出现较大差值时采用了增强基底材料的相对磁导率来实现TE模的GSPs,结果表明TE模的色散曲线出现了较大的改变。
本文通过控制覆层和基底层介电常数的微小差异同样实现了TE模GSPs的传输,并且TE模的色散曲线也出现了较大的改变。在此基础上,研究了石墨烯平板波导中TE模对介质的依赖性和石墨烯的调控作用。该研究可以为石墨烯表面等离子体器件中介质材料的选择提供理论基础,为制备低传播损耗的石墨烯表面等离子体器件提供了有益的建议,也有利于全面且准确地实现表面等离子体器件的有效调控。
2 理论模型
根据Kubo公式[13],石墨烯的电导率
带间电导率
式中
对于平行波导,
式中
根据麦克斯韦方程得
当
当
综合(3)~(5)式可得色散方程为
式中
对于TM模,(6)式的色散方程形式不变,此时
对于(6)式,令
式中
3 讨论
通过施加栅极电压、化学掺杂等方法可改变石墨烯的化学势
在250~400 THz范围内,电导率实部随频率的增加不断增加,最终达到
图 2. 不同化学势下石墨烯的电导率随频率的变化。(a)实部;(b)虚部
Fig. 2. Change of graphene conductivity with frequency at different chemical potentials. (a) Real part; (b) imaginary part
首先分析含石墨烯双层介质中TE模的传播特性,令
图 3. 不同化学势下悬空的石墨烯结构中TE模色散随频率的变化。(a)有效折射率neff;(b) Im(β/k0)
Fig. 3. Dispersion of TE mode in a suspended graphene structure varies with frequency at different chemical potentials. (a) Effective refractive index neff; (b) Im(β/k0)
为了更好地阐述覆层和基底层介电常数出现微小差异时对TE模GSPs的影响,首先考虑石墨烯覆层和基底介质同为Si、SiO2、SiC等应用广泛的介质材料的情况,即
图 4. ε1=ε2时双层介质结构中TE模色散随频率的变化(Si、SiC、SiO2介质的折射率分别为3.67,2.57,1.53;μc=0.5 eV)。(a) neff; (b) Im(β/k0)
Fig. 4. Dispersion of TE mode varies with frequency in a two-layer dielectric structure as ε1=ε2 (the refractive indices of Si, SiC and SiO2 are 3.67, 2.57 and 1.53, respectively; μc=0.5 eV). (a) neff; (b) Im(β/k0)
当
当基底介电常数
图 5. ε1≈ε2时TE模色散随频率的变化[ε1(SiO2)=2.3409;ε2(SiO2)分别为2.3409,2.3410,2.3411,2.3412;μc=0.5 eV]。(a) neff; (b) Im(β/k0)
Fig. 5. Dispersion of TE mode varies with frequency as ε1≈ε2 [ε1(SiO2)=2.3409; ε2(SiO2) are 2.3409, 2.3410, 2.3411, and 2.3412, respectively; μc=0.5 eV]. (a) neff; (b) Im(β/k0)
研究三层介质石墨烯平板波导TE模的传播特性,仅考虑基模传播的特性。对于(6)式,令覆层为空气,即
当
图 6. 波导中a层和b层分界面有无添加石墨烯时TE模色散随频率的变化(n3=1.460,μc=0.5 eV)。(a) neff; (b) Im(β/k0)
Fig. 6. Dispersion of TE mode varies with frequency in the waveguide with and without graphene in the interfaces a and b (n3=1.460, μc=0.5 eV). (a) neff; (b) Im(β/k0)
研究石墨烯调控TE模对基底材料的依赖关系,主要考虑b层是否添加石墨烯与基底材料折射率两个方面,如
图 7. 基底介质波导中b层分界面有无添加石墨烯且n3不同时TE模色散随频率的变化(μc=0.5 eV)。 (a) neff; (b) Im(β/k0)
Fig. 7. Dispersion of TE mode varies with frequency for different dielectric constant n3 in substrate waveguide with and without graphene in the interface b (μc=0.5 eV). (a) neff; (b) Im(β/k0)
利用
图 8. b层分界面中石墨烯化学势不同时TE模色散随频率的变化[μc(a)=0.2 eV,n3=1.460]。 (a) neff; (b) Im(β/k0)
Fig. 8. Dispersion of TE mode varies with frequency at different chemical potentials of graphene in the interface b [μc(a)=0.2 eV, n3=1.460]. (a) neff; (b) Im(β/k0)
4 结论
研究了近红外波段含石墨烯双层介质间的TE模GSPs以及三层介质石墨烯平板波导中TE模的传输特性。结果表明,当覆层和基底层材料介电常数相同时,TE模的GSPs可以传输。当覆层和基底层材料介电常数出现微小的差异时,TE模的GSPs依旧可以传输,但TE模的色散曲线出现了较大的改变,有效折射率甚至可以超过覆层的折射率。此外,三层介质石墨烯平板波导中,TE模的调控也有赖于介质材料。当传导层和基底层材料介电常数相近时,夹层的石墨烯光电导对波导TE模调控尤其显著。结果还表明,TE模的石墨烯表面等离子体波和石墨烯平板波导中的TE模传输特性对介质材料存在依赖关系。这有助于对石墨烯表面等离子体相关光电材料应用的理论分析和认识。
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