[论文解读] Analytical Investigation of Magneto-Plasmons in Anisotropic Multi-layer Planar Waveguides Incorporating Magnetically Biased Graphene Sheets

Mohammad Bagher Heydari, Mohammad Hashem Vadjed Samiei|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2021

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 67被引用 8

一句话总结

本文提出了一种用于磁化石墨烯片层具有各向异性导电性的多层平面波导的解析模型，可精确计算磁等离子体激元色散关系。该方法准确预测了有效折射率和传播损耗，经全波仿真验证，展示了在太赫兹器件（如传感器和调制器）中可调谐的等离子体行为。

ABSTRACT

This article proposes a novel analytical model for the anisotropic multi-layer structures containing magnetically biased graphene sheets. The multi-layer structure is composed of various magnetic materials. An external magnetic field is applied, normal to the structure surface. Each graphene sheet, with an anisotropic conductivity tensor, has been sandwiched between two adjacent magnetic materials. Our model is used to find the dispersion relation of the structure. Now, obtaining plasmonic features of the structure, such as the effective index and propagation loss is straightforward. Four exemplary structural variants have been investigated to show the richness of the proposed general structure regarding the related specific plasmonic wave phenomena and effects. These aspects are essential to form our structural design platform to propose novel plasmonic devices such as biosensors, modulators, absorbers, transparent electrodes, and tunable metamaterials in THz frequencies. A very good agreement between the analytical and full-wave simulation results is seen.

研究动机与目标

• 开发一种通用的解析框架，用于包含磁化石墨烯片层且具有各向异性电导率的多层平面波导。
• 研究在法向磁场偏置下，此类结构中磁等离子体激元模式的色散特性。
• 通过分析有效折射率和传播损耗，实现可调谐太赫兹等离子体器件的设计。
• 通过与全波仿真结果对比，验证该解析模型的准确性和可靠性。
• 通过四种典型结构变体探索多种等离子体现象，以评估其在器件应用中的潜力。

提出的方法

• 利用传输矩阵法，建立包含磁化石墨烯片层的多层波导的电磁边界值问题。
• 在垂直外部磁场作用下，用各向异性电导率张量建模每一层石墨烯片层。
• 通过在每个界面应用连续性条件求解波动方程，推导出色散关系。
• 应用广义斯涅尔定律和阻抗匹配原理，确定模式传播常数。
• 基于推导出的色散关系，使用解析表达式计算有效折射率和传播损耗。
• 通过与全波仿真结果对比验证结果，显示出高度一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁化石墨烯的各向异性电导率如何影响多层波导中表面等离子体模式的色散特性？
• RQ2 改变磁场偏置对层状结构中磁等离子体激元的有效折射率和传播损耗有何影响？
• RQ3 不同结构配置（如层序排列、材料选择）如何影响等离子体模式的激励与可调谐性？
• RQ4 与全波仿真相比，该解析模型在预测等离子体行为方面有多大的准确性？
• RQ5 所提出的结构中涌现出哪些等离子体现象，使其能够实现新型太赫兹器件应用？

主要发现

• 该解析模型能准确预测磁化石墨烯在各向异性多层波导中磁等离子体激元的色散关系。
• 解析结果与全波仿真数据之间表现出高度一致，证实了模型的有效性。
• 通过调节外加磁场强度，可实现对等离子体模式有效折射率和传播损耗的可调谐控制。
• 四种不同的结构变体展示了丰富的等离子体现象，包括模式局域化和频率调谐。
• 该结构可在太赫兹频段支持可调谐、低损耗的等离子体模式，适用于生物传感器和调制器。
• 石墨烯在磁场偏置下的各向异性电导率可实现方向性和频率选择性的等离子体响应。