在法布里-珀羅諧振腔內可以實現(xiàn)電磁波和石墨烯中等離激元的耦合并形成等離極化激元.利用麥克斯韋方程結合邊界條件得到了諧振腔中的電磁模式,研究了處于諧振腔中的石墨烯對腔模電磁波的影響,發(fā)現(xiàn)在太赫茲頻段內,石墨烯的存在對腔模的影響較小.同時,利用麥克斯韋方程得到了諧振腔中石墨烯等離極化激元模式,發(fā)現(xiàn)諧振腔中石墨烯等離極化激元模式只能在諧振腔內以相對較大的波矢q存在. 

【文章來源】：山西師范大學學報(自然科學版). 2020,34(02)

【文章頁數(shù)】：5 頁

【部分圖文】：

裝置示意圖:放在襯底Si O2上的石墨烯系統(tǒng)處于法布里-珀羅諧振腔中．諧振腔的長度為L,PL和Po L分別表示石墨烯中的等離激元和耦合形成的等離極化激元模式

眾所周知，在石墨烯中由于雜質和聲子散射導致的電子的室溫動量弛豫時間是τ=0.1 ps[23]．同樣τ也和石墨烯的電子密度有關[24]．在圖2中，我們給出了固定腔長下，腔內存在石墨烯層和不存在石墨烯層時的基態(tài)腔模的色散關系．q和kx分別是石墨烯中等離激元的波矢和入射光在石墨烯平面內的波矢．從圖中可以看到:(1)低頻腔模受石墨烯層的影響相對較大，而較高頻率的腔模受石墨烯的影響較�。�(2)隨著石墨烯中電子弛豫時間的增加，石墨烯層對低頻腔模的影響變大．(3)總體來看，在太赫茲頻段內，石墨烯的存在對腔模的影響較�。�(4)相同電子密度的情況下，無規(guī)項近似下(RPA)得到的等離激元色散關系曲線可以和在非高頻近似的情況下得到的腔模色散曲線相交，因此兩者可以在石墨烯平面內發(fā)生耦合．(5)圖2中短-點-點虛線對應方程(9)的高頻極限結果．即當ωτ>>1時，方程(9)中的光電導率σ(ω)取為圖3 實線:自由光子的色散關系曲線ω=cq．短、點、短-點虛線分別是τ>>1 ps，τ=1 ps和τ=0.5 ps時石墨烯等離極化激元模式的色散關系．

圖2 ωp是無規(guī)項近似下(RPA)石墨烯中等離激元的色散曲線．基態(tài)腔模的色散關系:實線對應腔內不存在石墨烯的情況(方程(5)的結果);其他線對應腔內存在石墨烯的情況(方程(9)的結果)，其中短-點-點虛線為方程(9)(ωτ>>1)取高頻近似下的結果;短-點、短、點虛線對應電子弛豫時間分別為τ=1.0 ps、0.5 ps、0.2 ps的情況．其值和τ無關．可以看到在高頻近似的情況下，等離激元的色散曲線和腔模色散曲線不能相交．需要注意的是，在石墨烯中導帶內電子的躍遷主要發(fā)生在入射光的THz頻段內，因此在THz頻段內和室溫條件下，石墨烯中可以保證ωτ≈1，而高頻極限Drude公式不能用于表示石墨烯中帶內躍遷通道產生的光電導率．因此在高頻近似的情況下，由于光電導率被高估，等離激元的色散曲線和腔模色散曲線不能相交．


本文編號：3293365