Усиление поглощения электромагнитного излучения в графене дифракционной решеткой

  • Марина Алексеевна Яковлева НИУ «Институт ядерных проблем» БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220030, г. Минск, Беларусь; Национальный центр научных исследований, Дорога Нозе, C2N-UMR 9001, 91460, г. Маркуси, Франция
  • Константин Германович Батраков НИУ «Институт ядерных проблем» БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220030, г. Минск, Беларусь; Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

Аннотация

Теоретически рассматривается возможность резкого роста поглощения излучения терагерцового диапазона в графене, которое достигается размещением его вблизи металлической дифракционной решетки. Решение задачи заключается в разложении полей по флоке-модам и применении граничных условий для тангенциальных составляющих электромагнитного поля. Вследствие дифракции электромагнитной волны на решетке и интерференции волн удается достичь концентрации энергии электромагнитного поля в области размещения графена. Показано, что для двух вариантов решетки – отражающей и пропускающей – при определенном выборе физических параметров достигается практически полное поглощение электромагнитного излучения в атомарно тонком слое графена, что в несколько раз превосходит по величине поглощение в свободностоящем графене, имеющем такие же параметры. Результаты исследования могут быть использованы при разработке детекторов и сенсоров в активно развивающейся в настоящее время области терагерцовой спектроскопии.

Биографии авторов

Марина Алексеевна Яковлева, НИУ «Институт ядерных проблем» БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220030, г. Минск, Беларусь; Национальный центр научных исследований, Дорога Нозе, C2N-UMR 9001, 91460, г. Маркуси, Франция

стажер младшего научного сотрудника Института ядерных проблем БГУ; исследователь лаборатории фотоники и наноструктур Национального центра научных исследований

Константин Германович Батраков, НИУ «Институт ядерных проблем» БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220030, г. Минск, Беларусь; Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат физикоматематических наук; доцент кафедры ядерной физики БГУ; ведущий научный сотрудник лаборатории наноэлектромагнетизма Института ядерных проблем БГУ

Литература

  1. Geim A. K., Novoselov K. S. The rise of grapheme. Nat. Mater. 2007. Vol. 6, issue 3. P. 183–191. DOI: 10.1038/nmat1849.
  2. Katsnelson M. I. Graphene: Carbon in Two Dimensions. New York : Cambridge University Press, 2012.
  3. Mikhailov S. A. Carbon Nanotubes and Graphene for Photonic Applications. Cambridge : Woodhead Publishing, 2013. P. 171–219.
  4. Ferrari A. C., Bonaccorso F., Falʼko V., et al. Science and technology roadmap for graphene, related two-dimensional crystals, and hybrid systems. Nanoscale. 2015. Vol. 7. P. 4598–4810. DOI: 10.1039/C4NR01600A.
  5. Vicarelli L., Vitiello M. S., Coquillat D., et al. Graphene field-effect transistors as room-temperature terahertz detectors. Nat. Mater. 2012. Vol. 11, issue 10. P. 865–871. DOI: 10.1038/nmat3417.
  6. Bonaccorso F., Sun Z., Hasan T., et al. Graphene photonics and optoelectronic. Nat. Photonics. 2010. Vol. 4. P. 611–622. DOI: 10.1038/nphoton.2010.186.
  7. Booth T. J., Blake P., Nair R. R. Macroscopic Graphene Membranes and Their Extroordinary Stiffness. Nano Lett. 2008. Vol. 8, issue 8. P. 2442–2446. DOI: 10.1021/nl801412y.
  8. Kuzhir P., Volynets N., Maksimenko S., et al. Multilayered Graphene in Ka-Band: Nanoscale Coating for Aerospace Applications. J. Nanosci. Nanotechnol. 2013. Vol. 13, No. 8. P. 5864–5867. DOI: 10.1166/jnn.2013.7551.
  9. Wallace P. R. The Band Theory of Graphite. Phys. Rev. 1947. Vol. 71, issue 9. P. 622–634. DOI: 10.1103/PhysRev.71.635.
  10. Batrakov K., Kuzhir P., Maksimenko S., et al. Flexible transparent graphene/polymer multilayers for efficient electromagnetic field absorption. Sci. Rep. 2014. Vol. 4. Article ID: 7191. DOI: 10.1038/srep07191.
  11. Batrakov K., Kuzhir P., Maksimenko S., et al. Enhanced microwave-to-terahertz absorption in grapheme. Appl. Phys. Lett. 2016. Vol. 108, issue 12. Article ID: 123101. DOI: 10.1063/1.4944531.
  12. Ott H. Electromagnetic compatibility engineering. New York : John Wiley and Sons, 2009.
  13. Lee Yun-Shik. Principles of Terahertz Science and Technology. New York : Springer, 2009.
  14. Landau L. D., Lifshitz E. M. [Theoretical physics. Electrodynamics of Continuous Media]. Moscow, 1982 (in Russ.).
  15. Knop K. Rigorous diffraction theory for transmission phase gratings with deep rectangular grooves. JOSA. 1978. Vol. 68, issue 9. P. 1206–1210. DOI: 10.1364/JOSA.68.001206.
  16. Lalanne P., Morris G. M. Highly improved convergence of the coupled-wave method for TM polarization. JOSA A. 1996. Vol. 13, issue 4. P. 779–784. DOI: 10.1364/JOSAA.13.000779.
Опубликован
2018-04-30
Ключевые слова: дифракционная решетка, графен, граничные условия, дираковский спектр
Поддерживающие организации Работа выполнена при финансовой поддержке проекта Белорусского республиканcкого фонда фундаментальных исследований (грант № Ф17АРМ-025), государственной программы науч ных исследований «Фотоника, опто- и микроэлектроника» (подзадание 1.1.05.1), а также европейского проекта № H2020-644076 CoExAN.
Как цитировать
Яковлева, М. А., & Батраков, К. Г. (2018). Усиление поглощения электромагнитного излучения в графене дифракционной решеткой. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 1, 88-94. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/physics/article/view/565
Раздел
Физика конденсированного состояния