[論文レビュー] Graphene plasmonics: Physics and potential applications

Shenyang Huang, Chaoyu Song+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2016

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 78被引用数 5

ひとこと要約

本レビューは、質量ゼロのディラックフェルミオンに起因する独自の物理学を示し、強い調整性とエネルギー封じ込めを示すグラフェンプラズモンの研究を概説する。グラフェンプラズモンは、基板、吸着種、二次元材料と強い結合を示すことで、可変なナノフォトニクス素子の実現を可能にし、太ももから中赤外周波数帯域における可変メタマテリアルおよびメタサーフェスへの応用が可能である。

ABSTRACT

Plasmon in graphene possesses many unique properties. It originates from the collective motion of massless Dirac fermions and the carrier density dependence is distinctively different from conventional plasmons. In addition, graphene plasmon is highly tunable and shows strong energy confinement capability. Most intriguing, as an atom-thin layer, graphene and its plasmon are very sensitive to the immediate environment. Graphene plasmons strongly couple to polar phonons of the substrate, molecular vibrations of the adsorbates, and lattice vibrations of other atomically thin layers. In this review paper, we'll present the most important advances in grapene plasmonics field. The topics include terahertz plasmons, mid-infrared plasmons, plasmon-phonon interactions and potential applications. Graphene plasmonics opens an avenue for reconfigurable metamaterials and metasurfaces. It's an exciting and promising new subject in the nanophotonics and plasmonics research field.

研究の動機と目的

• グラフェンプラズモンの基礎的物理学をレビューし、質量ゼロのディラックフェルミオンに起因するその起源と特異なキャリア密度依存性に焦点を当てる。
• 2次元性と低損失特性に起因する、グラフェンプラズモンの強い調整性と極めて高いエネルギー封じ込めを分析する。
• 基板の格子振動、吸着種の振動モード、二次元層状材料といった環境的相互作用に対するグラフェンプラズモンの感受性を調査する。
• 再構成可能なメタマテリアルおよびメタサーフェスにおけるナノフォトニクス素子への応用を検討する。
• 太もも帯域および中赤外帯域のプラズモン工学、プラズモン-フォノン結合、デバイス統合分野における最近の進展を包括的に概説する。

提案手法

• ディラックコーンモデルと線形応答理論に基づくグラフェンにおけるプラズモン分散の理論的分析。
• 誘電関数形式および電子-フォノン相互作用ハミルトニアンを用いたプラズモン-フォノン結合のモデル化。
• ゲート電圧の変化に応じたグラフェンナノ構造（例：ナノリブ、ディスク）におけるプラズモンモードの数値シミュレーション。
• 有効媒体近似およびグリーン関数技術を用いて、基板および二次元層とのプラズモン結合を研究する。
• 散乱型走査近接場型顕微鏡（s-SNOM）を用いた太もも帯域および中赤外帯域における実験的実現のレビュー。
• 調整性および封じ込め特性の観点から、貴金属などの従来のプラズモニック材料とグラフェンプラズモンの体系的比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量ゼロのディラックフェルミオンを特徴とするグラフェンの特異な電子的性質が、そのプラズモンの挙動にどのように影響を与えるか？
• RQ2 静電的ゲーティングにより、グラフェンプラズモンの周波数とモードの封じ込めはどの程度調整可能か？
• RQ3 基板のフォノンおよび吸着分子の振動モードと、グラフェンプラズモンはどのように相互作用するか？
• RQ4 原子的に薄いグラフェン系において、強い光-物質結合を可能にする主要なメカニズムは何か？
• RQ5 再構成可能なナノフォトニクスおよびメタマテリアル分野におけるグラフェンプラズモンの最も有望なデバイス応用は何か？

主な発見

• グラフェンプラズモンは2次元性に起因し、回折限界を下回る波長スケールでのモード制御が可能であり、強いエネルギー封じ込めを示す。
• グラフェンにおけるプラズモン周波数は静電的ゲーティングにより強く調整可能であり、太もも帯域から中赤外帯域にわたる周波数シフトが実現可能である。
• ヘキサゴナル窒化ホウ素やその他の2次元基板の極性フォノンと強い結合を示し、ハイブリッドプラズモン-フォノンモードを形成する。
• 吸着分子が振動モードと結合することでプラズモン共鳴エネルギーに測定可能なシフトを引き起こし、超高感度な化学センシングが可能になる。
• 理論的および実験的研究により、高品質因子と低損失を示すグラフェンナノ構造におけるプラズモンの伝搬が確認された。
• グラフェンプラズモンは、広帯域にわたる周波数範囲で光学的応答を調整可能な動的で再構成可能なメタサーフェスおよびメタマテリアルの実現を可能にする。