Волноводные моды в планарной структуре "графен-полупроводник-графен"
Автор: Абрамов Алексей Сергеевич, Евсеев Дмитрий Александрович, Семенцов Дмитрий Игоревич
Журнал: Компьютерная оптика @computer-optics
Рубрика: Дифракционная оптика, оптические технологии
Статья в выпуске: 3 т.44, 2020 года.
Бесплатный доступ
Исследуются волноводные режимы оптического диапазона в плёнке полупроводника с обкладками из графена. Показана зависимость модовых характеристик от химического потенциала графена и толщины плёнки. Построены дисперсионные зависимости для первых волноводных мод, частотные зависимости их групповой и фазовой скоростей, распределение плотности потока энергии в структуре. Показано наличие спектральных интервалов, в которых наблюдается малая фазовая и отрицательная групповая скорость волноводных мод. Установлена возможность перестройки волноводного режима за счёт изменения химического потенциала графена и толщины плёнки полупроводника.
Дисперсия, графен, полупроводниковый волновод, медленные волны, отрицательная групповая скорость
Короткий адрес: https://sciup.org/140249996
IDR: 140249996 | DOI: 10.18287/2412-6179-CO-648
Waveguided modes in a planar structure "graphene - thin semiconductor film - graphene"
We investigated optical-range waveguide modes propagating in a semiconductor film sandwiched between two graphene plates. The mode characteristics were shown to depend on the chemical potential of graphene and the film thickness. Based on the numerical analysis, we obtained dispersion relations for the first waveguide modes, frequency dependences of their group and phase velocities, and the distribution of the energy flux density in the structure. We discovered the presence of spectral bands characterized by small phase and negative group velocities of the waveguide modes. The possibility of tuning the waveguide mode by changing the chemical potential of graphene and the thickness of the semiconductor film was established.
Список литературы Волноводные моды в планарной структуре "графен-полупроводник-графен"
- Falkovsky, L.A. Optical far-infrared properties of a graphene monolayer and multilayer / L.A. Falkovsky, S.S. Pershoguba // Physical Review B. - 2007. - Vol. 76. - 153410.
- Hanson, G.W. Dyadic Green's functions and guided surface waves for a surface conductivity model of graphene / G.W. Hanson // Journal of Applied Physics. - 2008. - Vol. 103. - 064302.
- Castro Neto, A.H. The electronic properties of graphene / A.H. Castro Neto, F. Guinea, N.M.R. Peres, K.S. Novoselov, A.K. Geim // Reviews of Modern Physics. - 2009. - Vol. 81. - P. 109-162.
- Aleshkin, V.Ya. Terahertz laser based on optically pumped graphene: model and feasibility of realization / V.Ya. Aleshkin, A.A. Dubinov, V.I. Ryzhii // Pis'ma v ZhETF. - 2009. - Vol. 89, Issue 2. - P. 70-74.
- Katsnelson, M.I. Optical properties of graphene: The Fermi-liquid approach / M.I. Katsnelson // Euro Physics Letters. - 2008. - Vol. 84, Issue 3. - 37001.
- Berman, O.L. Graphene-based one-dimensional photonic crystal / O.L. Berman, R.Ya. Kezerashvili // Journal of Physics: Condensed Matter. - 2012. - Vol. 24, Issue 1. - 015305.
- Madani, A. Optical properties of one-dimensional photonic crystals containing graphene sheets / A. Madani, R.S. Entezar // Physica B: Condensed Matter. - 2013. - Vol. 431. - P. 1-5.
- Liang, H. Graphene surface plasmon polaritons with opposite in-plane electron oscillations along its two surfaces / H. Liang, S. Ruan, M. Zhang, H. Su, I.L. Li // Applied Physics Letters. - 2015. - Vol. 109, Issue 9. - 091602.
- Berman, O.L. Magnetoplasmons in layered graphene structures / O.L. Berman, G. Gumbs, Yu.E. Lozovik // Physical Review B. - 2008. - Vol. 78, Issue 8. - 085401.
- Ferreira, A. Faraday effect in graphene enclosed in an optical cavity and the equation of motion method for the study of magneto-optical transport in solids / A. Ferreira, J. Viana-Gomes, Yu.V. Bludov, V.M. Pereira, N.M.R. Peres, A. H. Castro Neto // Physical Review B. - 2011. - Vol. 84. - 235410.
- Babichev, A.V. Resistivity and thermopower of graphene made by chemical vapor deposition technique / А.V. Babichev, V.E. Gasumyants, V.Y. Butko // Journal of Applied Physics. - 2013. - Vol. 113, Issue 7. - 076101.
- Gan, C.H. Synthesis of highly confined surface plasmon modes with doped graphene sheets in the midinfrared and terahertz frequencies / C.H. Gan, H.S. Chu, E.P. Li // Physical Review B. - 2012. - Vol. 85. - 125431.
- Лозовик, Ю.Е. Плазмоника и магнитоплазмоника на графене и топологическом изоляторе / Ю.Е. Лозовик // Успехи физических наук. - 2012. - Вып. 182. - С. 1111-1116.
- Zhu, B. Nanoscale dielectric-graphene-dielectric tunable infrared waveguide with ultrahigh refractive indices / B. Zhu, G. Ren, S. Zheng, Z. Lin, S. Jian // Optics Express. - 2013. - Vol. 21. - 17089.
- Zhu, B. Nanoscale dielectric-graphene-dielectric tunable infrared waveguide with ultrahigh refractive indices / B. Zhu, G. Ren, S. Zheng, Z. Lin, S. Jian // Optics Express. - 2013. - Vol. 21, Issue 14. - 17089.
- Svintsov, D. Voltage-controlled surface plasmon-polaritons in double graphene layer / D. Svintson, V. Vyurkov, V. Ryzhii, T. Otsuji // Journal of Applied Physics. - 2013. - Vol. 113, Issue 5. - 053701.
- Буслаев, П.И. Плазмоны в волноводных структурах из двух слоёв графена / П.И. Буслаев, И.В. Иорш, И.В. Шадривов, П.А. Белов, Ю.С. Кившарь // Письма в ЖЭТФ. - 2013. - Т. 97(9). - С. 619-623.
- Smirnova, D. Deeply subwavelength electromagnetic Tamm states in graphene metamaterials / D. Smirnova, P. Buslaev, I. Iorsh, I.V. Shadrivov, P.A. Belov, Yu.S. Kivshar // Physical Review B. - 2014. - Vol. 89, Issue 24. - P. 2-5.
- Евсеев, Д.А. Волноводные моды в планарной мелкослоистой структуре "графен-диэлектрик" / Д.А. Евсеев, Д.И. Семенцов // Оптика и спектроскопия. - 2018. - Т. 124, Вып. 2. - С. 235-240.
- Evseev, D.A. Surface plasmon polaritons at the boundary of a grapheme-based thin-layer medium / D.A. Evseev, D.I. Sementsov // Physics of Solid State. - 2018. - Vol. 60, Issue 3. - P. 609-613.
- Фальковский, Л.А. Магнитооптика графеновых слоёв / Л.А. Фальковский // Успехи физических наук. - 2012. - Т. 182, № 11. - С. 1223-1228.
- Novoselov, K.S. Electric field effect in atomically thin carbon films / K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S.V. Dubonos, I.V. Grigorieva, A.A. Firsov // Science. - 2004. - Vol. 306, Issue 10. - P. 666-669.
- Gan, C.H. Synthesis of highly confined surface plasmon modes with doped graphene sheets in the midinfrared and terahertz frequencies / C.H. Gan, H.S. Chu, E.P. Li // Physical Review B. -2012. - Vol. 85. - 125431.
- Агранович, В.М. Поверхностные поляритоны - электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред / В.М. Агранович, Д.Л. Миллс. - Москва: Наука, 1985. - 525 c.
- Ландау, Л.Д. Теоретическая физика. Электродинамика сплошных сред / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. - Москва: Наука, 1992. - 664 c. - 978-5-9221-1508-7.
- ISBN: 9785922115087
- Паняев, И.С. Спектральные свойства нелинейных поверхностных поляритонов среднего ИК-диапазона в структуре "полупроводник-слоистый метаматериал" / И.С. Паняев, Д.Г. Санников // Компьютерная оптика. -2017. - Т. 41, № 2. - С. 183-191. -
- DOI: 10.18287/2412-6179-2017-41-2-183-191
- Кадомина, Е.А. Брегговские решётки с подавлением паразитного рассеяния для поверхностных плазмон-поляритонов / Е.А. Кадомина, Е.А. Безус, Л.Л. Досколович // Компьютерная оптика. -2018. - Т. 42, № 5. -С. 800-806. -
- DOI: 10.18287/2412-6179-2018-42-5-800-806
- Khoubafarin Doust, S. The tunability of surface plasmon polaritons in graphene waveguide structures / S. Khoubafarin Doust, V. Siahpoush, A. Asgari // Plasmonics. -2017. - Vol. 12. - P. 1633-1639.
