[論文レビュー] Tunable dichroism and optical absorption of graphene by strain engineering

M. Oliva-Leyva, Gerardo G. Naumis|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2014

Photonic and Optical Devices被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、機械的応力を介してグラフェンの光学的吸収を調整し、二色性を誘発する理論的枠組みを提案する。応力依存の電導度および透過率の解析的表現を導出し、二つの偏光角度における透過率の測定により、応力テンソルの主軸を高い精度で再構成できることを示している。

ABSTRACT

We theoretically study the transmittance for normal incidence of linearly polarized light between two media separated by a strained graphene monolayer. We analytically characterize the degree of dichroism and the transparency of graphene as a function of an arbitrary uniform strain and the incident polarization. We discuss how measurements of dichroism and transparency for two different polarization directions can be used to determine the magnitude and direction of strain. Ours findings result in very useful tools to tune the graphene absorption by mechanical strain, as well as to design nano-devices to determine crack propagation in materials.

研究の動機と目的

• 任意の均一なひずみ下でのグラフェンの光学的応答を理論的に特徴づけること、特に透過率と二色性に焦点を当てる。
• 二つの透過率測定値のみを用いて、応力の大きさと方向を特定するプロトコルを開発すること。
• 特に材料内の亀列伝播を検出することを目的としたナノデバイスにおける応力センシングの応用を可能にすること。
• 従来の単軸ひずみモデルを一般化した二軸および異方的ひずみ状態に拡張すること。
• ひずみグラフェン系における擬似磁場の測定方法を提供すること。

提案手法

• 垂直入射の線形偏光光が二つの誘電体媒体の間を通過するひずみグラフェン単層膜における電磁界散乱をモデル化する。
• 電場および磁場の境界条件を、ひずみ依存の電導度式から導出されたひずみグラフェン電導度テンソルと組み合わせる。
• 電導度テンソルを用いて、入射偏光角度およびひずみテンソル成分の関数として透過率および偏光回転を導出する：$\bar{\boldsymbol{\sigma}}(\omega) = \sigma_0(\omega)\left(\bar{\mathbf{I}} - 2\tilde{\beta}\bar{\boldsymbol{\epsilon}} + \tilde{\beta}\mathrm{Tr}(\bar{\boldsymbol{\epsilon}})\bar{\mathbf{I}}\right)$。
• 透過率変調の解析的表現を導出する：$T(\theta_i) \approx 1 - \pi\alpha\left(1 - \tilde{\beta}(\bar{\epsilon}_{xx} - \bar{\epsilon}_{yy})\cos 2\theta_i - 2\tilde{\beta}\bar{\epsilon}_{xy}\sin 2\theta_i\right)$。
• 0°および45°における透過率を用いた二回測定プロトコルを提案し、$\tan 2\phi = \frac{1 - \pi\alpha - T(45^\circ)}{1 - \pi\alpha - T(0^\circ)}$ を用いて主応力方向を再構成する。
• 既知の極限（単軸ひずみおよび等方的ひずみ）と比較してモデルを検証し、実験データと整合し、97.7%の普遍的透過率を示している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 任意の均一なひずみが、垂直入射の線形偏光光に対するグラフェンの透過率および二色性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 直接的な応力測定なしに、光学的測定のみから応力の主軸を再構成できるか？
• RQ3 ひずみテンソル成分とそれによる偏光回転および透過率変調との間の解析的関係は何か？
• RQ4 本手法は、単軸ひずみに限局された従来の結果をどのように一般化するか？
• RQ5 この枠組みを用いて、グラフェンにおける亀列伝播の検出や擬似磁場の測定にどの程度応用できるか？

主な発見

• ひずみグラフェンの透過率は、180°の周期を示し、入射偏光角度およびひずみの異方性に依存する。
• 透過光の偏光角度は入射偏光に対して回転し、その回転角は $\theta_t - \theta_i \approx \alpha\tilde{\beta}\left(\frac{\bar{\epsilon}_{yy} - \bar{\epsilon}_{xx}}{2}\sin 2\theta_i + \bar{\epsilon}_{xy}\cos 2\theta_i\right)180^\circ$ で与えられる。
• 透過率式 $T(\theta_i) \approx 1 - \pi\alpha\left(1 - \tilde{\beta}(\bar{\epsilon}_{xx} - \bar{\epsilon}_{yy})\cos 2\theta_i - 2\tilde{\beta}\bar{\epsilon}_{xy}\sin 2\theta_i\right)$ は、応力が加わらないまたは等方的ひずみの場合は普遍的透過率97.7%に簡略化される。
• 0°および45°における透過率を用いたプロトコルにより、$\tan 2\phi = \frac{1 - \pi\alpha - T(45^\circ)}{1 - \pi\alpha - T(0^\circ)}$ を用いて主応力方向を高精度で再構成でき、応力テンソルマッピングが可能になる。
• モデルは、ひずみグラフェンにおける透過率変調の実験的観測と整合しており、単軸ひずみを超える一般化を実現している。
• 本手法により、亀列伝播の検出や、ひずみを受ける2次元材料における有効な擬似磁場の測定に応用可能な高精度な応力センシングが可能になる。