Tecnologia Científica

O estudo de plasmons acústicos de grafeno abre caminho para aplicações optoeletrônicas
Desafiados por essas limitações, três grupos de pesquisa combinaram seus esforços para reunir uma técnica experimental única usando métodos avançados de nanofabricação. Suas descobertas foram publicadas na Nature Communications
Por nstituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (KAIST) - 16/03/2021


A nano-ponta iluminada a laser excita o grafeno plasmon acústico na camada entre o grafeno e o ouro / alumina. Crédito: Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (KAIST)

Os pesquisadores do KAIST e seus colaboradores no país e no exterior demonstraram com sucesso uma nova metodologia para imagens ópticas de campo próximo direto de campos acústicos de plasmão de grafeno. Esta estratégia proporcionará um avanço para as aplicações práticas de plataformas acústicas de grafeno plasmon em dispositivos optoeletrônicos baseados em grafeno de próxima geração e alto desempenho com interações luz-matéria aprimoradas e menor perda de propagação.

Recentemente, foi demonstrado que plasmons de grafeno , oscilações coletivas de elétrons livres no grafeno acoplado a ondas eletromagnéticas de luz, podem ser usados ​​para capturar e comprimir ondas ópticas dentro de uma camada dielétrica muito fina que separa o grafeno de uma folha metálica. Nessa configuração, os elétrons de condução do grafeno são "refletidos" no metal, então, quando as ondas de luz "empurram" os elétrons no grafeno, suas cargas de imagem no metal também começam a oscilar. Este novo tipo de modo de oscilação eletrônica coletiva é denominado 'plasmon de grafeno acústico (AGP) ".

A existência de AGP poderia ser observada anteriormente apenas por meio de métodos indiretos, como espectroscopia infravermelha de campo distante e mapeamento de fotocorrente. Essa observação indireta foi o preço que os pesquisadores tiveram que pagar pela forte compressão de ondas ópticas dentro de estruturas nanométricas. Acreditava-se que a intensidade dos campos eletromagnéticos fora do dispositivo era insuficiente para imagens ópticas de campo próximo direto de AGP.

Desafiados por essas limitações, três grupos de pesquisa combinaram seus esforços para reunir uma técnica experimental única usando métodos avançados de nanofabricação. Suas descobertas foram publicadas na Nature Communications em 19 de fevereiro.

Uma equipe de pesquisa KAIST liderada pelo professor Min Seok Jang da Escola de Engenharia Elétrica usou um microscópio óptico de campo próximo de varredura do tipo espalhamento altamente sensível (s-SNOM) para medir diretamente os campos ópticos das ondas AGP que se propagam em um nanômetro de espessura guia de ondas, visualizando a compressão de mil vezes da luz infravermelha média pela primeira vez.

O professor Jang e um pesquisador pós-doutorado em seu grupo, Sergey G. Menabde, obtiveram com sucesso imagens diretas das ondas AGP, aproveitando seu rápido declínio, embora sempre presente, campo elétrico acima do grafeno. Eles mostraram que os AGPs são detectáveis ​​mesmo quando a maior parte de sua energia está fluindo dentro do dielétrico abaixo do grafeno.

Isso se tornou possível devido às superfícies ultralisas dentro dos nano-guias de ondas, onde as ondas plasmônicas podem se propagar em distâncias mais longas. O modo AGP testado pelos pesquisadores foi até 2,3 vezes mais confinado e exibiu uma figura de mérito 1,4 vezes maior em termos do comprimento de propagação normalizado em comparação com o plasmon de superfície de grafeno em condições semelhantes.
 
Essas nanoestruturas ultrasuaves dos guias de onda usados ​​no experimento foram criadas usando um método de separação de modelo pelo professor Sang-Hyun Oh e um pesquisador pós-doutorado, In-Ho Lee, do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade de Minnesota.

O professor Young Hee Lee e seus pesquisadores do Centro de Física Nanoestruturada Integrada (CINAP) do Instituto de Ciência Básica (IBS) da Universidade Sungkyunkwan sintetizaram o grafeno com uma estrutura monocristalina, e este grafeno de alta qualidade e grande área permitiu baixa perda de propagação plasmônica.

As propriedades químicas e físicas de muitas moléculas orgânicas importantes podem ser detectadas e avaliadas por suas assinaturas de absorção no espectro infravermelho médio. No entanto, os métodos de detecção convencionais requerem um grande número de moléculas para uma detecção bem-sucedida, enquanto os campos AGP ultracomprimidos podem fornecer fortes interações luz-matéria no nível microscópico, melhorando significativamente a sensibilidade de detecção até uma única molécula.

Além disso, o estudo conduzido pelo Professor Jang e a equipe demonstrou que os AGPs de infravermelho médio são inerentemente menos sensíveis a perdas no grafeno devido aos seus campos estarem principalmente confinados no dielétrico. Os resultados relatados pela equipe de pesquisa sugerem que os AGPs podem se tornar uma plataforma promissora para dispositivos optoeletrônicos baseados em grafeno eletricamente sintonizáveis ​​que normalmente sofrem de taxas de absorção mais altas no grafeno, como metassuperfícies, interruptores ópticos, fotovoltaicos e outras aplicações optoeletrônicas operando em frequências infravermelhas.

O professor Jang disse: "Nossa pesquisa revelou que os campos eletromagnéticos ultracompactados de plasmons de grafeno acústico podem ser acessados ​​diretamente por meio de métodos de microscopia óptica de campo próximo. Espero que essa constatação motive outros pesquisadores a aplicar AGPs a vários problemas em que matéria leve forte são necessárias interações e menor perda de propagação. "

 

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