远场激发声学石墨烯等离激元模式的理论研究

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当石墨烯靠近金属的时候,在石墨烯和金属之间会激发一种特殊的石墨烯等离激元模式,被称为声学石墨烯等离激元(acoustic Graphene Plamons)模式。声学石墨烯等离激元模式具有线性色散关系、极高的波长压缩同时具备较强的光场局域能力。声学石墨烯等离激元可以把红外光子挤压进入极其狭窄甚至亚纳米尺度的区域,提供了强的光与物质相互作用的研究平台。但是,自由空间入射光和声学石墨烯等离激元波之间存在比较大的波矢不匹配问题,实现声学石墨烯的高效激发仍然是一个挑战。本文首先理论分析求解了多层石墨烯-金属等离激元波导的本征模式,包括单层连续的自由悬浮石墨烯波导,金属-介质-石墨烯无限平面波导和金属-介质-石墨烯-介质-金属波导,这为研究声学石墨烯等离激元系统提供了物理基础。然后研究表明,在石墨烯-介质-金属纳米腔体混合系统中,石墨烯-介质-金属槽中的声学石墨烯等离激元模式可以被磁等离激元共振所激发。我们分析了等离激元模式的激发条件,发现周期性纳米腔中的金属共振可以与单层石墨烯强烈耦合。同时磁等离激元和石墨烯-介质-金属腔模之间的强耦合产生了较窄的多共振峰,在光谱上表现为声学石墨烯等离激元,普通石墨烯等离激元和金属共振的光谱重叠。多共振峰的位置和大小可以通过光栅几何形状,介质绝缘层和石墨烯的费米能级来调制。最后实现把石墨烯集成在支持磁共振的金属-介质-金属(Metal-Insulator-Metal,简称MIM)超材料中可以实现多共振声学石墨烯等离激元模式的激发。通过远场激发较强的磁共振,中红外自由空间光首先被挤入纳米级介质狭缝中,然后由于近场中模式的叠加被高效率地耦合到声学石墨烯等离激元模式。更进一步,在所研究的光谱范围内激发了有总共十几级次以上的声学石墨烯等离激元模式,在每一个共振波长附近产生了相似的类Fano共振的特性。多共振光谱分析显示,入射角对多共振峰的位置的影响特别小,同时多共振峰的位置可以通过几何参数以及石墨烯费米能级进行调整。所提出的结构为有效激发声学石墨烯等离激元模式提供了途径,并有望应用于超灵敏红外光谱,生物分子传感,可调谐超材料和其他应用。
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