KAIST-onderzoekers en hun medewerkers in binnen- en buitenland hebben met succes een nieuwe methodologie gedemonstreerd voor directe optische beeldvorming in het nabije veld van akoestische grafeenplasmonvelden. Deze strategie zal een doorbraak betekenen voor de praktische toepassingen van akoestische grafeenplasmonplatforms in de volgende generatie, hoge performantie, op grafeen gebaseerde opto-elektronische apparaten met verbeterde licht-materie-interacties en lager voortplantingsverlies.

Onlangs is aangetoond dat grafeenplasmonen, collectieve oscillaties van vrije elektronen in grafeen gekoppeld aan elektromagnetische lichtgolven, kan worden gebruikt om optische golven op te vangen en te comprimeren in een zeer dunne diëlektrische laag die grafeen scheidt van een metalen plaat. In een dergelijke configuratie, de geleidingselektronen van grafeen worden "gereflecteerd" in het metaal, dus wanneer de lichtgolven de elektronen in grafeen "duwen", hun beeldladingen in metaal beginnen ook te oscilleren. Dit nieuwe type collectieve elektronische oscillatiemodus wordt 'akoestisch grafeenplasmon (AGP)' genoemd.

Het bestaan ​​van AGP kon voorheen alleen worden waargenomen via indirecte methoden zoals far-field infraroodspectroscopie en fotostroomkartering. Deze indirecte waarneming was de prijs die onderzoekers moesten betalen voor de sterke compressie van optische golven in nanometerdunne structuren. Er werd aangenomen dat de intensiteit van elektromagnetische velden buiten het apparaat onvoldoende was voor directe optische beeldvorming in het nabije veld van AGP.

Uitgedaagd door deze beperkingen, drie onderzoeksgroepen hebben hun krachten gebundeld om een ​​unieke experimentele techniek samen te brengen met behulp van geavanceerde nanofabricagemethoden. Hun bevindingen werden gepubliceerd in Natuurcommunicatie op 19 februari.

Een KAIST-onderzoeksteam onder leiding van professor Min Seok Jang van de School of Electrical Engineering gebruikte een zeer gevoelige scanning-near-field optische microscoop (s-SNOM) van het verstrooiingstype om de optische velden van de AGP-golven die zich voortplanten in een nanometer-dunne golfgeleider, het visualiseren van duizendvoudige compressie van midden-infrarood licht voor de eerste keer.

Professor Jang en een postdoc-onderzoeker in zijn groep, Sergey G. Menabde, heeft met succes directe beelden van AGP-golven verkregen door gebruik te maken van hun snel afnemende maar altijd aanwezige elektrische veld boven grafeen. Ze toonden aan dat AGP's detecteerbaar zijn, zelfs wanneer het grootste deel van hun energie in het diëlektricum onder het grafeen stroomt.

Dit werd mogelijk dankzij de ultragladde oppervlakken in de nanogolfgeleiders waar plasmonische golven zich op grotere afstanden kunnen voortplanten. De AGP-modus die door de onderzoekers werd onderzocht, was tot 2,3 keer beperkter en vertoonde een 1,4 keer hogere verdienste in termen van de genormaliseerde voortplantingslengte in vergelijking met het grafeenoppervlakplasmon onder vergelijkbare omstandigheden.

Deze ultragladde nanostructuren van de golfgeleiders die in het experiment werden gebruikt, zijn gemaakt met behulp van een sjabloonstripmethode door professor Sang-Hyun Oh en een postdoc-onderzoeker, In Ho Lee, van de afdeling Electrical and Computer Engineering aan de Universiteit van Minnesota.

Professor Young Hee Lee en zijn onderzoekers van het Center for Integrated Nanostructure Physics (CINAP) van het Institute of Basic Science (IBS) aan de Sungkyunkwan University synthetiseerden het grafeen met een monokristallijne structuur, en deze hoogwaardige grafeen met een groot oppervlak maakte plasmonische voortplanting met weinig verlies mogelijk.

De chemische en fysische eigenschappen van veel belangrijke organische moleculen kunnen worden gedetecteerd en geëvalueerd aan de hand van hun absorptiesignaturen in het midden-infraroodspectrum. Echter, conventionele detectiemethoden vereisen een groot aantal moleculen voor succesvolle detectie, overwegende dat de ultragecomprimeerde AGP-velden sterke licht-materie-interacties op microscopisch niveau kunnen bieden, waardoor de detectiegevoeligheid tot op een enkel molecuul aanzienlijk wordt verbeterd.

Verder, de studie uitgevoerd door professor Jang en het team toonde aan dat de midden-infrarode AGP's inherent minder gevoelig zijn voor verliezen in grafeen omdat hun velden meestal beperkt zijn tot het diëlektricum. De gerapporteerde resultaten van het onderzoeksteam suggereren dat AGP's een veelbelovend platform kunnen worden voor elektrisch afstembare, op grafeen gebaseerde opto-elektronische apparaten die doorgaans lijden aan hogere absorptiesnelheden in grafeen, zoals meta-oppervlakken, optische schakelaars, fotovoltaïsche, en andere opto-elektronische toepassingen die werken op infraroodfrequenties.

Professor Jang zei:"Ons onderzoek heeft aangetoond dat de ultragecomprimeerde elektromagnetische velden van akoestische grafeenplasmonen direct toegankelijk zijn via optische microscopiemethoden in het nabije veld. Ik hoop dat dit besef andere onderzoekers zal motiveren om AGP's toe te passen op verschillende problemen waar sterke interacties tussen licht en materie en een lagere voortplanting verlies nodig is."