[論文レビュー] Plasmon modes in bilayer-monolayer graphene heterostructures

Nguyen Van Men, Nguyễn Quốc Khánh|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2017

Plasmonic and Surface Plasmon Research被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、ランダム位相近似（RPA）を用いて、誘電関数の不均一性および層間距離を考慮した二層-単層グラフェンヘテロ構造におけるプラズモンモードを調査した。光学的プラズモンモードは二層グラフェンのわずか下にあるのに対し、音響的モードは顕著に低く、特に音響モードの減衰行動は層間距離、誘電関数の不均一性、および大きな波数においてスパーサー誘電率に敏感であることが判明した。

ABSTRACT

We investigate the dispersion relation and damping of plasmon modes in a bilayer-monolayer graphene heterostructure with carrier densities and at zero temperature within the random-phase-approximation taking into account the nonhomogeneity of the dielectric background of the system. We derive analytical expressions for plasmon frequencies by using long wavelength expansion of response and bare Coulomb interaction functions. We show that optical plasmon dispersion curve of the bilayer-monolayer system lies slightly below that of double-layer graphene (DLG) and the acoustic one lies much lower than that of DLG. We find that while decay rates of acoustic modes of the system and DLG are remarkably different, those of optical modes in both double-layer systems are similar. Except the damping rate of acoustic mode, properties of plasmon excitations in considered system depend remarkably on the interlayer distance, inhomogeneity of the background, density ratio and spacer dielectric constant, especially at large wave-vectors.

研究の動機と目的

• 二層-単層グラフェンヘテロ構造におけるプラズモンモードの分散および減衰を理解すること。
• 層間距離、誘電背景の不均一性、およびスパーサーの誘電率がプラズモン特性に与える影響を検討すること。
• 従来の二層グラフェン（DLG）と比較して、二層-単層系におけるプラズモン行動を検証すること。

提案手法

• 二層-単層ヘテロ構造における応答関数を計算するために、ランダム位相近似（RPA）を用いた。
• プラズモン周波数の解析的表現を導出するために、応答関数および裸のクーロン相互作用関数の長波長展開を用いた。
• 二層および単層領域における異なる誘電環境に起因する非一様な誘電背景を考慮した。
• キャリア密度比、層間隔、スパーサー材料の誘電率の効果を組み込んだ。
• 零温度条件下で、数値的および解析的にプラズモン分散関係および減衰率を解いた。
• 標準的な二層グラフェン（DLG）の結果と比較し、光学モードおよび音響モードにおける差異を強調した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二層-単層グラフェンにおけるプラズモン分散は、二層グラフェンと比べてどのように異なるか？
• RQ2 層間距離がヘテロ構造におけるプラズモン周波数および減衰に与える役割は何か？
• RQ3 誘電関数の不均一性およびスパーサーの誘電率は、この系のプラズモンモードにどのように影響を与えるか？
• RQ4 なぜ二層-単層系における音響的プラズモンモードは、二層グラフェンと比べて顕著に異なる減衰を示すのか？
• RQ5 キャリア密度比は、二層-単層ヘテロ構造におけるプラズモン応答にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 二層-単層系の光学的プラズモン分散曲線は、二層グラフェン（DLG）のものよりもわずかに下にある。
• 音響的プラズモン分散曲線はDLGと比べてはるかに低く、二層-単層系ではより強い軟化が示されている。
• 二層-単層系における音響モードの減衰率はDLGとは顕著に異なり、光学モードの減衰率は類似している。
• プラズモン特性、特に大きな波数領域では、層間距離、誘電関数の不均一性、およびスパーサーの誘電率に強く依存する。
• 二層および単層領域間の密度比は、特に音響チャネルにおいてプラズモン励起特性に顕著な影響を与える。