KAIST-forskare och deras medarbetare hemma och utomlands har framgångsrikt demonstrerat en ny metodik för direkt närfälts optisk avbildning av akustiska grafenplasmonfält. Denna strategi kommer att ge ett genombrott för de praktiska tillämpningarna av akustiska grafenplasmonplattformar i nästa generations, högpresterande, grafenbaserade optoelektroniska enheter med förbättrad ljus-materia-interaktion och lägre utbredningsförlust.

Det visades nyligen att grafenplasmoner, kollektiva svängningar av fria elektroner i grafen kopplade till elektromagnetiska ljusvågor, kan användas för att fånga och komprimera optiska vågor inuti ett mycket tunt dielektriskt skikt som skiljer grafen från en metallplåt. I en sådan konfiguration, grafens ledningselektroner "reflekteras" i metallen, så när ljusvågorna "trycker" elektronerna i grafen, deras bildladdningar i metall börjar också svänga. Denna nya typ av kollektivt elektroniskt oscillationsläge kallas "akustisk grafenplasmon (AGP)".

Förekomsten av AGP kunde tidigare endast observeras via indirekta metoder såsom infraröd spektroskopi och fotoströmkartering. Denna indirekta observation var det pris som forskare fick betala för den starka komprimeringen av optiska vågor inuti nanometertunna strukturer. Man trodde att intensiteten av elektromagnetiska fält utanför enheten var otillräcklig för direkt närfälts optisk avbildning av AGP.

Utmanas av dessa begränsningar, tre forskargrupper kombinerade sina ansträngningar för att få ihop en unik experimentell teknik med hjälp av avancerade nanotillverkningsmetoder. Deras resultat publicerades i Naturkommunikation den 19 februari.

En KAIST-forskargrupp ledd av professor Min Seok Jang från School of Electrical Engineering använde ett mycket känsligt scattering-typ scanning near-field optical microscope (s-SNOM) för att direkt mäta de optiska fälten av AGP-vågorna som utbreder sig i en nanometertunn vågledare, visualisera tusenfaldig komprimering av mellaninfrarött ljus för första gången.

Professor Jang och en post-doc forskare i hans grupp, Sergey G. Menabde, framgångsrikt erhållit direkta bilder av AGP-vågor genom att dra fördel av deras snabbt sönderfallande men alltid närvarande elektriska fält ovanför grafen. De visade att AGP är detekterbara även när det mesta av deras energi flödar inuti dielektrikumet under grafenet.

Detta blev möjligt på grund av de ultrasläta ytorna inuti nano-vågledarna där plasmoniska vågor kan fortplanta sig på längre avstånd. AGP-moden som undersöktes av forskarna var upp till 2,3 gånger mer instängd och uppvisade en 1,4 gånger högre värdesiffra när det gäller den normaliserade fortplantningslängden jämfört med grafenytplasmonen under liknande förhållanden.

Dessa ultrasläta nanostrukturer av vågledarna som användes i experimentet skapades med en mallstrippningsmetod av professor Sang-Hyun Oh och en post-doc forskare, In-Ho Lee, från Department of Electrical and Computer Engineering vid University of Minnesota.

Professor Young Hee Lee och hans forskare vid Center for Integrated Nanostructure Physics (CINAP) vid Institute of Basic Science (IBS) vid Sungkyunkwan University syntetiserade grafen med en monokristallin struktur, och denna högkvalitativa, grafen med stor yta möjliggjorde plasmonisk förökning med låg förlust.

De kemiska och fysikaliska egenskaperna hos många viktiga organiska molekyler kan detekteras och utvärderas genom deras absorptionssignaturer i det mellaninfraröda spektrumet. Dock, konventionella detektionsmetoder kräver ett stort antal molekyler för framgångsrik detektion, medan de ultrakomprimerade AGP-fälten kan ge starka ljus-materia-interaktioner på mikroskopisk nivå, vilket avsevärt förbättrar detektionskänsligheten ner till en enda molekyl.

Vidare, studien utförd av professor Jang och teamet visade att de mellaninfraröda AGP:erna i sig är mindre känsliga för förluster i grafen på grund av att deras fält mestadels är begränsade inom dielektrikumet. Forskargruppens rapporterade resultat tyder på att AGP kan bli en lovande plattform för elektriskt avstämbara grafenbaserade optoelektroniska enheter som vanligtvis lider av högre absorptionshastigheter i grafen, såsom metasytor, optiska omkopplare, solceller, och andra optoelektroniska applikationer som arbetar vid infraröda frekvenser.

Professor Jang sa, "Vår forskning avslöjade att de ultrakomprimerade elektromagnetiska fälten hos akustiska grafenplasmoner kan nås direkt genom optiska mikroskopimetoder för närfält. Jag hoppas att denna insikt kommer att motivera andra forskare att tillämpa AGP på olika problem där starka ljus-materia-interaktioner och lägre utbredning förlust behövs."