[论文解读] Novel mid-infrared plasmonic effects in bilayer graphene

Tony Low, F. Guinea+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2013

Graphene research and applications参考文献 1被引用 1

一句话总结

本文研究了双层石墨烯中Bernal堆叠结构的中红外等离子体效应，揭示其独特的电子结构可诱导光学活性的声子模式和共振的间带跃迁，从而产生Fano型共振、红外声子吸收的巨量增强、窄带光学透明窗口，以及超越经典等离子体的新型高能等离子体模式，显著改变了其与单层石墨烯不同的等离子体响应特性。

ABSTRACT

We study the mid-infrared plasmonic response in Bernal-stacked bilayer graphene. Unlike its monolayer counterpart, bilayer graphene accommodates optically active phonon modes and a resonant interband transition at infrared frequencies. They strongly modifies the plasmonic properties of bilayer graphene, leading to Fano-type resonances, giant plasmonic enhancement of infrared phonon absorption, narrow window of optical transparency, and a new plasmonic mode at higher energy than the classical plasmon.

研究动机与目标

• 探索由于其电子和振动特性而与单层石墨烯有本质区别的Bernal堆叠双层石墨烯的中红外等离子体响应。
• 理解双层石墨烯中的间带跃迁和声子模式如何影响红外频率下的等离子体行为。
• 识别并表征由双层石墨烯中电子自由度与振动自由度耦合所引发的新等离子体现象。
• 确定在中红外波段出现增强光学透明度和强吸收特征的条件。

提出的方法

• 采用紧束缚方法对双层石墨烯的介电函数进行理论建模，以考虑间带跃迁和电子-电子相互作用的影响。
• 将声子模式引入介电响应中，以评估其光学活性以及与等离子体激发的耦合效应。
• 在存在间带跃迁和声子的条件下，利用随机相位近似（RPA）计算等离子体色散关系和阻尼率。
• 分析光学电导率和反射率光谱，以识别Fano共振和透明窗口。
• 数值求解等离子体色散关系，以探测新型高能等离子体模式的出现。

实验结果

研究问题

• RQ1 与单层石墨烯相比，双层石墨烯中的间带跃迁如何改变其在中红外波段的等离子体响应？
• RQ2 光学活性声子模式在塑造双层石墨烯等离子体特征方面发挥何种作用？
• RQ3 由于等离子体与间带跃迁的耦合，Fano型共振是否可能在双层石墨烯中出现？
• RQ4 是什么原因导致双层石墨烯中出现能量高于经典等离子体的新型等离子体模式？
• RQ5 声子的存在如何导致双层石墨烯中红外声子吸收的巨量增强？

主要发现

• 由于经典等离子体与共振间带跃迁之间的干涉，双层石墨烯的光学响应中表现出Fano型共振。
• 红外频率下的间带跃迁导致红外声子吸收出现巨量增强，显著提高了有效声子耦合强度。
• 在中红外波段出现了一个窄带光学透明窗口，这是由于等离子体响应与声子响应之间的相消干涉所致。
• 一种能量高于经典等离子体的新等离子体模式出现，其源于双层体系中电子与声子的耦合。
• 双层石墨烯中光学活性声子模式的存在从根本上改变了其等离子体响应特性，使其与单层石墨烯显著不同。