采用导模共振激发表面等离子体波的石墨烯

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2、5年　5月　15　日采用导模共振激发表面等离子体波的石墨烯WeiluGao,JieShu,CiyuanQiu,andQianfanXu美国，德克萨斯77005，休斯敦，莱斯大学，电气和计算机工程摘要我们提出了一种基于石墨烯的有源器件电浆子。在单层石墨烯高度约束等离子波用硅蚀刻衍射光栅得到有效激发。的导波共振在组合结构上创建的正常发生率透射谱尖锐缺口，作为入射光波耦合到石墨烯等离激元波。这种结构可以用作一个高度可调光滤波器或宽带调制器，因为谐振波长可以快速调谐在宽波长范围内通过在费米能量的微小变化石

3、墨烯的水平。在本文中，我们分析了该装置的使用有限差分时域仿真的性能。我们提出的结构基础上结合电浆振荡最近展示了石墨烯纳米带进行比较。石墨烯独特的电子特性1-3使它建立一个高度集成有源光子器件和系统从近红外到太赫兹宽波长范围内的理想平台4-9。活跃的等离子体是一个新兴的领域，允许光的外部控制和操作限制在一个有着深亚波长尺寸的结构中。现有的等离子体设备要么速度10慢要么可调性受到限制11，12。原则上，半导体中自由载流子（电子或空穴）可以被调整到几个数量级，从而导致发生戏剧性的变化。这将允许对超宽可调

4、性等离子体波的有强大的控制。然而，在室温和高载流子密度情况下，传统半导体中载流子迁移速率太低无法支持等离子体波进行有意义的传播距离。相比之下，即使在室温和高载流子密度情况下，载流子在石墨烯中依然保持着很高的迁移速率。因此，高度限制的等离子体波能够在石墨烯膜上传播许多微米，这是石墨烯中等离子体波在中红外频率空间周期的100倍。4通过在场效应管施加一个偏置电压可以使石墨烯中载流子密度调整超过2个数量级大小，这可以实现调谐时间低于1纳秒。14除了广泛的可调性，石墨烯中的表面等离子体波具有极高的领域限制。

5、理论研究表明，中红外表面等离子体波的电场位于一层几十纳米厚，小于2个数量级的真空波长。4高度本地化的光场产生强大的光与物质的相互作用，可用于制造灵敏度传感器或打造高效能的非线性光学器件。15表面等离子体波在较宽的波长范围还具有较低的群速度（∼c/100），当波慢慢的通过媒介传播时使光与物资的相互作用进一步增强。尽管理论上可以预测这些令人印象深刻的能力，但是鉴于其波矢比自由空间电波大得多，所以关键的挑战是有效的耦合到该等离子体波。而最近发现在石墨烯带中显示出了石墨烯表面等离子体效应，这是由于等离子体

6、在有界的色带内振荡，而不是表面等离子体波在一个连续的石墨烯层传播。在本文中，我们提出了在石墨烯薄利用衍射光栅膜创建一个导波，这样可以从正入射透射光谱直接观察到共振。导膜共振耦合垂直入射的光波到传播表面等离子体波面内，从而在光传输的谐振频率产生强烈的变化。这种结构使我们能够衡量色散和石墨烯中等离子体波光电性质的关系。我们将证明，光栅充当它可以与石墨烯的费米能级的小变化来调谐可调谐的滤光器。这种结构可以用于构建具有广泛工作带宽的超快空间光调制器，并且开辟了一种建立二维等离子体光子电路和金属材料的方法。

7、18器件在中红外、远红外或者太赫兹波长范围内工作均可以建立不同的光栅周期。结果与讨论石墨烯中等离激元波。单层石墨烯的电子性质已经深入研究3，近期的理论分析4表明，高度约束等离子波所用的单层石墨烯传播。这些波是由于电子或空穴沿波传播方向的周期性运动。在中红外波长，当石墨烯被适当掺杂从带间跃迁和声子诱导的散射光的损失可以被抑制。在此条件下，德鲁德模型适用，而分散的关系的等离子波为横向磁（TM）以连续的单层石墨烯模式是约4（参见材料和方法）。其中β（ω）是在平面内波矢量在石墨烯中，ℏ是约化普朗克常数，ε

8、0是真空介电常数，εr1和εr2为上面和石墨烯膜下方的材料的介电常数，τ是载流子的弛豫时间，和Ef=ℏVf(πn)12是费米能级，其中，n是载流子密度和Vf≈106m/s是在石墨烯的费米速度的绝对值。载体弛豫时间τ决定了石墨烯载流子迁移μ为τ=μEf/eVf2。单层石墨烯层被建模为具有金属样响应于平面电场和电介质状响应于表面法线电场（见材料和方法）二维电子气。电浆色散在石墨烯属性是从其他类型的二维电子气体3的不同，由于石墨烯中的电子无质量。如图1：中红外电浆波在μ=万厘米/（V3秒