Los investigadores de KAIST y sus colaboradores en el país y en el extranjero han demostrado con éxito una nueva metodología para la obtención de imágenes ópticas directas de campo cercano de campos de plasmón de grafeno acústico. Esta estrategia proporcionará un gran avance para las aplicaciones prácticas de las plataformas de plasmón de grafeno acústico en la próxima generación, alto rendimiento, Dispositivos optoelectrónicos basados ​​en grafeno con interacciones luz-materia mejoradas y menor pérdida de propagación.

Recientemente se demostró que los plasmones de grafeno, oscilaciones colectivas de electrones libres en el grafeno acopladas a ondas electromagnéticas de luz, se puede utilizar para atrapar y comprimir ondas ópticas dentro de una capa dieléctrica muy fina que separa el grafeno de una lámina metálica. En tal configuración, Los electrones de conducción del grafeno se "reflejan" en el metal, así que cuando las ondas de luz "empujan" los electrones en el grafeno, sus cargas de imagen en el metal también comienzan a oscilar. Este nuevo tipo de modo de oscilación electrónica colectiva se denomina "plasmón de grafeno acústico (AGP)".

La existencia de AGP anteriormente solo podía observarse a través de métodos indirectos como la espectroscopia infrarroja de campo lejano y el mapeo de fotocorriente. Esta observación indirecta fue el precio que los investigadores tuvieron que pagar por la fuerte compresión de las ondas ópticas dentro de estructuras delgadas en nanómetros. Se creía que la intensidad de los campos electromagnéticos fuera del dispositivo era insuficiente para obtener imágenes ópticas directas de campo cercano de AGP.

Desafiado por estas limitaciones, tres grupos de investigación combinaron sus esfuerzos para reunir una técnica experimental única utilizando métodos avanzados de nanofabricación. Sus hallazgos fueron publicados en Comunicaciones de la naturaleza el 19 de febrero.

Un equipo de investigación de KAIST dirigido por el profesor Min Seok Jang de la Escuela de Ingeniería Eléctrica utilizó un microscopio óptico de campo cercano de escaneo de tipo dispersión (s-SNOM) altamente sensible para medir directamente los campos ópticos de las ondas AGP que se propagan en un nanómetro de espesor. guía de ondas visualizando una compresión mil veces mayor de la luz infrarroja media por primera vez.

El profesor Jang y un investigador postdoctoral en su grupo, Sergey G. Menabde, obtuvieron con éxito imágenes directas de ondas AGP aprovechando su campo eléctrico en rápida descomposición pero siempre presente por encima del grafeno. Demostraron que los AGP son detectables incluso cuando la mayor parte de su energía fluye dentro del dieléctrico debajo del grafeno.

Esto fue posible gracias a las superficies ultra suaves dentro de las nanoguías de ondas donde las ondas plasmónicas pueden propagarse a distancias más largas. El modo AGP probado por los investigadores fue hasta 2,3 veces más confinado y exhibió una cifra de mérito 1,4 veces mayor en términos de la longitud de propagación normalizada en comparación con el plasmón de superficie de grafeno en condiciones similares.

Estas nanoestructuras ultra suaves de las guías de ondas utilizadas en el experimento fueron creadas utilizando un método de eliminación de plantillas por el profesor Sang-Hyun Oh y un investigador postdoctoral, In-Ho Lee, del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Minnesota.

El profesor Young Hee Lee y sus investigadores del Centro de Física Integrada de Nanoestructuras (CINAP) del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) de la Universidad de Sungkyunkwan sintetizaron el grafeno con una estructura monocristalina, y esta alta calidad, el grafeno de gran superficie permitió la propagación plasmónica de bajas pérdidas.

Las propiedades químicas y físicas de muchas moléculas orgánicas importantes pueden detectarse y evaluarse por sus firmas de absorción en el espectro del infrarrojo medio. Sin embargo, Los métodos de detección convencionales requieren una gran cantidad de moléculas para una detección exitosa. Considerando que los campos AGP ultracomprimidos pueden proporcionar fuertes interacciones luz-materia a nivel microscópico, mejorando así significativamente la sensibilidad de detección hasta una sola molécula.

Es más, El estudio realizado por el profesor Jang y el equipo demostró que los AGP del infrarrojo medio son intrínsecamente menos sensibles a las pérdidas de grafeno debido a que sus campos se encuentran en su mayoría confinados dentro del dieléctrico. Los resultados informados por el equipo de investigación sugieren que los AGP podrían convertirse en una plataforma prometedora para dispositivos optoelectrónicos basados ​​en grafeno sintonizables eléctricamente que normalmente sufren tasas de absorción más altas en el grafeno, como las metasuperficies, interruptores ópticos, fotovoltaica, y otras aplicaciones optoelectrónicas que operan en frecuencias infrarrojas.

El profesor Jang dijo:"Nuestra investigación reveló que se puede acceder directamente a los campos electromagnéticos ultracomprimidos de los plasmones de grafeno acústico a través de métodos de microscopía óptica de campo cercano. Espero que este descubrimiento motive a otros investigadores a aplicar los AGP a varios problemas en los que se producen fuertes interacciones entre la luz y la materia y una menor propagación. se necesitan pérdidas ".