Science—超压缩模式体积单层石墨烯等离激元腔的远场激励- 大数跨境

两江科技评论

2020-06-15

导读：近日，来自西班牙巴塞罗那科技学院，美国杜克大学和法国国家科学研究中心等机构的研究人员利用石墨烯基磁谐振器，制备了单纳米尺度的声学石墨烯等离激元腔，其模式体积限制因子达到5×1010。这样的腔体就像一个

导读

近日，来自西班牙巴塞罗那科技学院(Barcelona Institute of Science and Technology)，美国杜克大学(Duke University)和法国国家科学研究中心等机构的研究人员利用石墨烯基磁谐振器，制备了单纳米尺度的声学石墨烯等离激元腔，其模式体积限制因子(confinement factors)达到5×10¹⁰。这样的腔体就像一个中红外纳米天线，它可以有效地被远场激发，并且可以在一个非常大的宽带频谱上电调谐。这种方法为研究超强耦合现象提供了一个可靠的平台，例如通过振动强耦合进行化学操作，以及对中红外至太赫兹波段进行高效探测。该工作以Far-field excitation of single graphene plasmon cavities with ultracompressed mode volumes为题，于2020年6月12号发表在Science上。（快讯作者：鲁强兵）

研究背景

石墨烯等离激元(GPs)是在石墨烯片内传播与电子振荡耦合的电磁波。由于它们在中红外到太赫兹光谱中具有极强的局域性和低损耗特性，为探测各种光学和电子现象，包括量子非局域效应、分子光谱和生物传感等提供了一个平台。此外，它们还为长波谱中的光电器件的小型化提供了一种思路。

通过将石墨烯片靠近金属表面，可以进一步增强GPs的局域效应。这种设计支持一种高度受限的非对称模式，此外它还具有能量与动量的线性色散关系，因此这种模式被称为声学石墨烯等离激元(AGP)。当石墨烯与金属之间的距离很小时，AGP在面内被限制在其等效自由空间波长的1/300范围内，并且在垂直面方向上被限制在金属与石墨烯之间。

AGPs将光限制在小尺度的能力对于强光-物质相互作用是至关重要的，特别是在长波长的中红外和太赫兹光谱段。然而到目前为止，无论是在太赫兹自由传播还是在中红外光栅耦合器中，AGPs只在微米尺度上被观察到。研究强光和超强光与物质的相互作用，需要把AGPs局域在极小的致密腔内。

创新研究

研究人员设计了一种银纳米立方体随机分布在单层六角氮化硼(hBN)/石墨烯异质结结构的顶部，该异质结构被转移到Si/SiO₂衬底上，该衬底充当石墨烯电掺杂的后门。通过在六角氮化硼(hBN)/石墨烯范德华异质结上分散具有随机位置和取向的金属纳米立方体，可以形成石墨烯等离激元磁共振器(GPMR)，从而实现了具有超小模体积的纳米级AGP腔。在该结构中，石墨烯是一种半金属，在充分掺杂的情况下既可以作为导体，又可以支撑AGPs。因此，如果将纳米立方体放置在其附近，照射的远场光可以直接激发GPMR类似于贴片天线的模式，且该模式与纳米立方体和石墨烯之间的AGP的激发相关。

通过改变纳米立方体的尺寸和浓度，可以获得的与栅极相关的消光光谱，研究发现随着浓度的增加，共振频率会移到更高的频率；随着纳米立方体尺寸的增加，共振向低能量的整体转移也可以看到，这归因于AGPs的色散性质。此外通过改变石墨烯中的载流子密度，可以将响应从远红外几乎调谐到近红外光谱。

图文速览

(A) GPMR由Si/SiO₂衬底、石墨烯/0.8nm单层hBN异质结和银纳米立方体组成。插图显示了单个GPMR结构的横截面以及纳米立方体和石墨烯之间产生的磁共振。(B) 实际装置的扫描电镜图像(比例尺分别为5μm和200 nm)。(C)GPMR器件在不同的栅极电压下的消光光谱。

对于50nm(A)、75nm(B)和110nm(C)的纳米立方体，随着纳米立方体尺寸的变化，光谱响应发生变化。固体和虚线曲线分别对应于较高和较低的纳米立方体浓度，并表明纳米立方体浓度的变化对应于响应幅度的变化，而不影响其光谱。(D) 计算了Ag/2nm介电间隔层/石墨烯/SiO₂结构的色散关系，提取了50nm(黑星)、75nm(红星)和110nm(绿星)纳米立方体的实验结果。

(A) 模拟的三维纳米立方体横截面上的“Ey”场分布(比例尺50nm)。(B和C)AGPs的预期线性色散，如在不同纳米立方体长度L(B)下获得的模拟共振频率和费米能级的平方根(C)所示。(D) 模拟的磁场分布| Hz |与电场线叠加，显示出石墨烯/纳米立方体界面处磁偶极共振的产生。使用真空作为环境，垫片厚度为3nm。

(A) 模拟了不同石墨烯费米能级下单个GPMR天线的三维散射，结果表明散射谱可以从远红外调谐到近红外。插图：放大较长波长的光谱。(B) 计算了不同纳米立方石墨烯间距d的中红外(蓝色曲线)中GPMR腔的归一化模体积，并与可见光谱(红色曲线)中的NCoM腔进行了比较，结果表明，随着间隔层厚度的减小，模式体积减小了四个数量级。