[论文解读] 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 8

一句话总结

本研究采用随机相位近似（RPA）研究双层-单层石墨烯异质结中的等离激元模式，考虑了介电函数的非均匀性及层间距离的影响。结果表明，光学等离激元模式的能量略低于双层石墨烯体系，而声学模式则显著降低，且其阻尼行为具有显著差异——尤其在声学模式中，其特性对层间距离、介电非均匀性以及大波矢下的间隔层介电常数极为敏感。

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.

研究动机与目标

• 理解双层-单层石墨烯异质结中等离激元模式的色散关系与阻尼特性。
• 研究层间距离、介电背景非均匀性以及间隔层介电常数对等离激元性质的影响。
• 比较双层-单层体系与传统双层石墨烯体系中等离激元行为的异同。

提出的方法

• 采用随机相位近似（RPA）计算双层-单层异质结的响应函数。
• 通过响应函数与裸库仑相互作用函数的长波展开，推导出等离激元频率的解析表达式。
• 考虑了由于双层与单层区域介电环境不同而引起的介电背景非均匀性。
• 引入载流子密度比、层间间距以及间隔层材料介电常数的影响。
• 在零温条件下，通过数值与解析方法求解等离激元色散关系与阻尼率。
• 将结果与标准双层石墨烯（DLG）体系进行对比，突出光学与声学模式的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 双层-单层石墨烯体系中的等离激元色散关系与双层石墨烯体系相比有何异同？
• RQ2 层间距离在决定异质结中等离激元频率与阻尼特性方面起何作用？
• RQ3 介电非均匀性与间隔层介电常数如何影响该体系中的等离激元模式？
• RQ4 为何双层-单层体系中的声学等离激元模式表现出与双层石墨烯体系显著不同的阻尼行为？
• RQ5 载流子密度比如何影响双层-单层异质结中的等离激元响应？

主要发现

• 双层-单层体系的光学等离激元色散曲线略低于双层石墨烯（DLG）体系。
• 声学等离激元色散曲线显著低于DLG体系，表明该体系中声学模式出现更强的软化。
• 双层-单层体系中声学模式的阻尼率与DLG体系存在显著差异，而光学模式的阻尼率则相近。
• 等离激元特性，尤其是在大波矢区域，强烈依赖于层间距离、介电非均匀性以及间隔层介电常数。
• 双层与单层区域之间的载流子密度比显著影响等离激元激发特性，尤其在声学通道中表现明显。