[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出了一套理论框架，通过机械应变调控石墨烯的光学吸收并诱导双折射性，从而实现对透光率和偏振旋转的精确控制。通过推导应变依赖电导率和透光率的解析表达式，作者表明仅通过测量两个偏振角下的透光率，即可高精度重建应变张量的主轴方向。

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.

研究动机与目标

• 理论表征石墨烯在任意均匀应变下的光学响应，重点关注透光率和双折射性。
• 开发一种仅通过两次透光率测量即可确定应变大小和方向的协议。
• 在纳米器件中实现应变传感应用，特别是用于检测材料中的裂纹扩展。
• 将先前局限于单轴应变的模型推广至一般双轴和各向异性应变构型。
• 提供一种测量应变石墨烯体系中有效赝磁场的方法。

提出的方法

• 建模正常入射的线性偏振光在两种介电介质之间的应变石墨烯单层上的电磁散射行为。
• 结合电场和磁场的边界条件，以及从应变依赖电导率公式推导出的应变石墨烯电导率张量。
• 利用电导率张量推导透光率和偏振旋转作为入射偏振角和应变张量分量的函数：$\bar{\boldsymbol{\sigma}}(\omega) = \sigma_0(\omega)\left(\bar{\mathbf{I}} - 2\tilde{\beta}\bar{\boldsymbol{\epsilon}} + \tilde{\beta}\mathrm{Tr}(\bar{\boldsymbol{\epsilon}})\bar{\mathbf{I}}\right)$。
• 推导透光率调制的解析表达式：$T(\theta_i) \approx 1 - \pi\alpha\left(1 - \tilde{\beta}(\bar{\epsilon}_{xx} - \bar{\epsilon}_{yy})\cos 2\theta_i - 2\tilde{\beta}\bar{\epsilon}_{xy}\sin 2\theta_i\right)$。
• 提出一种基于$0^\circ$和$45^\circ$透光率测量的双次测量协议，通过$\tan 2\phi = \frac{1 - \pi\alpha - T(45^\circ)}{1 - \pi\alpha - T(0^\circ)}$重建主应变方向。
• 通过已知极限情况（单轴应变和各向同性应变）验证模型，结果与实验数据一致，并表现出97.7%的普遍透明度。

实验结果

研究问题

• RQ1 任意均匀应变如何影响石墨烯在正入射线性偏振光下的透光率和双折射性？
• RQ2 是否可仅通过光学测量重建应变的主轴方向，而无需直接应变传感？
• RQ3 应变张量分量与由此产生的偏振旋转和透光率调制之间的解析关系是什么？
• RQ4 所提出的方法如何推广先前局限于单轴应变结果的局限性？
• RQ5 该框架在多大程度上可用于检测裂纹扩展或测量石墨烯中的有效赝磁场？

主要发现

• 应变石墨烯的透光率表现出周期为180°的调制，其依赖于入射偏振角和应变各向异性。
• 透射光的偏振角相对于入射偏振角发生旋转，旋转角由下式给出：$\theta_t - \theta_i \approx \alpha\tilde{\beta}\left(\frac{\bar{\epsilon}_{yy} - \bar{\epsilon}_{xx}}{2}\sin 2\theta_i + \bar{\epsilon}_{xy}\cos 2\theta_i\right)180^\circ$。
• 透光率公式$T(\theta_i) \approx 1 - \pi\alpha\left(1 - \tilde{\beta}(\bar{\epsilon}_{xx} - \bar{\epsilon}_{yy})\cos 2\theta_i - 2\tilde{\beta}\bar{\epsilon}_{xy}\sin 2\theta_i\right)$在无应变或各向同性应变时退化为普遍的97.7%值。
• 利用$0^\circ$和$45^\circ$透光率测量的协议可通过$\tan 2\phi = \frac{1 - \pi\alpha - T(45^\circ)}{1 - \pi\alpha - T(0^\circ)}$高精度重建主应变方向，实现应变张量的映射。
• 该模型与应变石墨烯中透光率调制的实验观测一致，并将结果推广至单轴应变之外。
• 该方法可实现高精度应变传感，具有检测裂纹扩展和测量应变二维材料中有效赝磁场的潜在应用。