Kontrol fleksibel pada perilaku elektromagnetik oligomer graphene dengan menyetel potensial kimia

Abstrak

Dalam karya ini, kami menunjukkan bahwa sifat elektromagnetik oligomer graphene dapat dimodifikasi secara drastis dengan modifikasi lokal dari potensi kimia. Variasi potensial kimia dari posisi yang berbeda dalam oligomer graphene memiliki dampak yang berbeda pada spektrum kepunahan dan medan elektromagnetik. Penyesuaian yang fleksibel dari lokalisasi medan elektromagnetik dapat dicapai dengan secara tepat menyesuaikan potensi kimia dari nanodisk graphene pada posisi yang sesuai. Struktur nano yang diusulkan dalam pekerjaan ini mengarah pada aplikasi praktis perangkat plasmonik berbasis graphene seperti nanosensing, light trapping, dan photodetection.

Pengantar

Baru-baru ini, semakin banyak komponen dan struktur subwavelength telah dirancang dan diproduksi berdasarkan metamaterials (MMs) yang mendapat sorotan dengan fleksibilitas dalam mengendalikan perilaku elektromagnetik (EM) [1]. MM mendukung fenomena unik yang tidak ada di alam termasuk indeks bias negatif [2], transmisi optik yang luar biasa [3], dan transparansi yang diinduksi secara elektromagnetik [4]. Karena sifat unik dari MM, perangkat nano yang terdiri dari MM memiliki keunggulan yang lebih menonjol dibandingkan perangkat nano yang memiliki kemampuan yang jelas dan fleksibel untuk mengatur dan mengontrol perilaku EM, yang mengarahkan pengembangan perangkat nano menuju kualitas dan integrasi yang tinggi. Plasmonic MMs adalah salah satu jenis metamaterial yang mengeksploitasi plasmon permukaan (SPs) untuk mencapai sifat optoelektrik baru [5, 6]. SPs adalah osilasi elektron bebas dalam logam, yang berasal dari interaksi cahaya dengan bahan dielektrik logam. Dalam keadaan tertentu, interaksi cahaya datang dengan plasmon permukaan mampu menghasilkan gelombang elektromagnetik yang mandiri, merambat, yang dikenal sebagai polariton plasmon permukaan (SPP) yang merambat di sepanjang antarmuka logam-dielektrik [7]. SPPs jauh lebih pendek daripada cahaya insiden dalam panjang gelombang, yang cocok untuk struktur nano dengan tapak subwavelength [8]. Cahaya yang mengenai MM plasmonik diubah menjadi SPP, yang mengarah pada munculnya lokalisasi medan yang kuat dalam struktur ini pada frekuensi resonansi. Sifat EM dari struktur plasmonik terutama dikendalikan oleh geometrinya, sehingga memungkinkan untuk mengoptimalkan perilaku listrik dan magnet pada rentang yang luas [9,10,11,12]. Dalam praktiknya, litografi berkas elektron dan penggilingan berkas ion terfokus adalah dua metode umum untuk membuat struktur plasmonik pada substrat planar. Perilaku EM yang sangat baik berasal dari fitur unik dari struktur plasmonik dengan karakteristik yang lebih kecil dari panjang gelombang cahaya yang dipisahkan oleh jarak sub-panjang gelombang, mengungkapkan cara yang mencolok untuk merancang aplikasi dalam skala nano seperti penginderaan [13], spektroskopi yang ditingkatkan permukaannya [14], dan optik nonlinier [15]. MM plasmonik yang paling umum terdiri dari emas dan perak yang menunjukkan permitivitas nyata negatif [16]. Namun, logam mulia memiliki kerugian ohmik yang relatif besar dan fleksibilitas yang rendah sehingga setelah struktur diperbaiki, perilaku EM tidak dapat dioptimalkan lebih lanjut, yang membatasi pengembangan perangkat nano berdasarkan struktur plasmonik [17, 18].

Grafena adalah salah satu bahan dua dimensi yang terdiri dari sp² hibridisasi atom karbon dalam struktur kisi sarang lebah. Karena perilaku yang melampaui dalam elektronik serta fotonik dari graphene, berbagai kelompok penelitian menyelidiki graphene dengan metode yang berbeda untuk membuat struktur plasmonic yang menunjukkan kerugian yang lebih rendah, kurungan yang lebih tinggi dan tunabilitas bidang EM [19,20,21,22,23] . Graphene mampu mengakomodasi SPP dalam rentang besar dari terahertz hingga frekuensi mid-inframerah [24,25,26]. Grafena memiliki potensi besar untuk meningkatkan interaksi materi cahaya dalam rezim dua dimensi karena SPs dengan kurungan cahaya yang kuat [27]. Oligomer grafena merupakan molekul plasmonik (PMs) melalui interaksi antar komponen, di mana medan EM dengan peningkatan medan kuat mengikuti simetri yang analog dengan penggabungan atom dalam molekul kimia [28]. Dengan mengubah potensi kimia graphene, PM graphene dapat mencapai kualitas dan fleksibilitas yang tinggi [29]. Namun, ada parameter struktur yang lebih dapat disesuaikan seperti potensi kimia graphene di posisi yang berbeda untuk struktur nano graphene untuk mengontrol perilaku EM. Sebagian besar struktur nano graphene yang dilaporkan berkonsentrasi pada perubahan potensi kimia seluruh struktur, yang merupakan penjelasan singkat dari hubungan antara potensi kimia graphene dalam posisi yang berbeda dan perilaku EM dari struktur nano graphene. Struktur nano graphene yang diusulkan dapat merangsang sifat EM yang lebih unggul dan akan mempengaruhi berbagai aplikasi plasmonik.

Untuk memverifikasi mekanisme efek PM berdasarkan graphene, studi numerik pada oligomer graphene yang terdiri dari 13 nanodisk graphene berukuran sama telah dilakukan secara sistemik dengan memvariasikan potensi kimia sebagian graphene secara sengaja dalam karya ini. Oligomer graphene dengan D_12j simetri mampu mempertahankan dua mode plasmonik dalam rentang yang dihitung. Pemanfaatan lebih lanjut dari oligomer graphene bergantung pada kontrol yang tepat dari potensi kimia lokal graphene. Dengan memvariasikan potensi kimia oligomer graphene secara selektif, dua mode plasmonik bawaan sangat termodulasi. Menyetel potensi kimia nanodisk graphene yang menonjol dalam dua mode plasmonik masing-masing memiliki pengaruh yang berbeda pada dua mode plasmonik. Perubahan potensial kimia dari bagian perpotongan antara dua mode plasmonik mengintensifkan kedua resonansi plasmonik dan menyebabkan degenerasi mode plasmonik. Selain itu, perubahan potensial kimia nanodisk grafena sentral juga berpengaruh nyata terhadap sifat EM oligomer grafena. Hasil simulasi menunjukkan bahwa oligomer graphene memiliki tunabilitas dan fleksibilitas tinggi, dan memberikan derajat kebebasan baru untuk merancang perangkat nano plasmonik yang mampu menyesuaikan kurungan cahaya dua dimensi.

Metode dan model simulasi

Dalam model kami, graphene diperlakukan sebagai satu film tipis dengan ketebalan satu lapisan atom dan dimodelkan dengan permitivitas kompleks [22].

$$ \upvarepsilon =1+\frac{i{\sigma}_g{\eta}_0}{k_0\Delta}, $$ (1)

dimana = 0,334 nm, σ _g adalah konduktivitas permukaan kompleks graphene, ŋ ₀ =377 singkatan dari impendence ruang bebas, dan k ₀ = 2π /λ adalah bilangan gelombang cahaya di udara. Konduktivitas permukaan yang kompleks σ _g monolayer graphene dimodelkan oleh formulasi Kubo, yang terdiri dari kontribusi dari kedua hamburan elektron-foton intraband σ _dalam dan transisi elektron-elektron antar pita σ _antar [30],

$$ {\sigma}_g={\sigma}_{intra}+{\sigma}_{inter}, $$ (2)

dimana

$$ {\sigma}_{intra}=\frac{2{e}^2{k}_BT}{\pi {\mathrm{\hslash}}^2}\cdot \frac{i}{\omega + i{\tau}^{-1}}\left[\ln \left(2\cosh \left(\frac{\mu_c}{k_BT}\right)\right)\right], $$ (3) $ $ {\sigma}_{inter}=\frac{e^2}{4\mathrm{\hslash}}\left[\frac{\sinh \left(\frac{\mathrm{\hslash \upomega }}{ 2{k}_BT}\right)}{\cosh \left(\frac{\mu_c}{k_BT}\right)+\cosh \left(\frac{\mathrm{\hslash \upomega }}{2{k }_BT}\right)}-\frac{i}{2\pi}\ln \frac{{\left(\mathrm{\hslash}\omega +2{\mu}_c\right)}^2}{ {\left(\mathrm{\hslash}\omega -2{\mu}_c\right)}^2+{\left(2{k}_BT\right)}^2}\right]. $$ (4)

Dalam persamaan ini, e adalah muatan elektron, ℏ adalah konstanta Planck tereduksi, k_B adalah konstanta Boltzmann, T adalah suhu yang ditetapkan sebagai 300 K, adalah waktu relaksasi momentum yang ditetapkan sebagai 0,5 ps, adalah frekuensi radian, dan μ _c adalah potensi kimia graphene.

Kami menggabungkan susunan nanodisk graphene ke dalam oligomer graphene dengan D_12h simetri (Gbr. 1a) untuk menyelidiki perilaku EM. Oligomer graphene terdiri dari 13 nanodisk graphene dengan ukuran yang sama, di mana satu nanodisk ditempatkan di tengah dan yang lainnya mengelilinginya dengan simetri dodecagon. Jari-jari lingkaran konsentris tambahan R₀ adalah 240 nm dan jari-jari nanodisk individu R₁ adalah 50nm. Oligomer graphene yang terdiri dari sejumlah besar nanodisk graphene memiliki keunggulan dalam pemilihan fleksibel untuk mengubah potensi kimia. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1b, oligomer graphene dikelilingi dengan udara yang dijelaskan oleh indeks bias n₁ = 1 dan melekat pada substrat silika dengan indeks bias n₂ =1.5. Cahaya datang vertikal ke oligomer graphene dan polarisasi sepanjang sumbu y. Secara teoritis, indeks bias efektif graphene dijelaskan oleh

$$ {n}_{eff}=\frac{2i{\varepsilon}_{\mathrm{e} ff}{\varepsilon}_0c}{\sigma_g}. $$ (5)

dimana ε _eff adalah permitivitas efektif media lingkungan, ε ₀ adalah permitivitas vakum dan c adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Berdasarkan persamaan (2, 3, 4, dan 5), terlihat bahwa n _eff adalah fungsi dari μ _c dan hubungannya diplot pada Gambar 1c dan d, yang berarti bahwa resonansi dari struktur yang kami usulkan dapat dimodifikasi secara bijaksana melalui manipulasi potensi kimia graphene. Harus ditunjukkan bahwa |Aku (n _eff )|/|Re (n _eff )| secara signifikan kecil. Jadi bagian sebenarnya dari n_eff terutama mempengaruhi hasil penghitungan dan bagian imajiner dari n_eff memiliki sedikit efek pada model kami dengan perubahan potensial kimia. Oleh karena itu kami mengabaikan efek bagian imajiner dari n_eff dalam penelitian ini.

a Diagram skematik oligomer graphene dengan simetri D_12j terdiri dari 13 cakram graphene yang identik. b Model simulasi graphene oligomer. Oligomer graphene ditempatkan pada substrat silika dengan n₂ = 1.5 dan dikelilingi oleh udara dengan n₁ = 1. c , d Bagian nyata dan bagian imajiner dari n _eff dengan potensi kimia graphene mulai dari 0,4 hingga 0,8 eV

Medan listrik dan spektrum kepunahan oligomer graphene dihitung dalam perangkat lunak metode elemen hingga (FEM) komersial, COMSOL Multi-Fisika, Modul RF. Penampang kepunahan σ _ekst diperoleh sebagai σ _ekst = σ _sc + σ _perut , di mana σ _sc sesuai dengan penampang hamburan

$$ {\sigma}_{sc}=\frac{1}{I_0}\int \int \left(\overrightarrow{n}\cdot \overrightarrow{S_{sc}}\right) dS, $$ (6 )

dan penampang penyerapan σ _perut , ditentukan oleh

$$ {\sigma}_{abs}=\frac{1}{I_0}\int \int \int \kern0.5em QdV. $$ (7)

Dalam persamaan ini, saya₀ adalah intensitas kejadian. $ \overrightarrow{n} $adalah singkatan dari vektor normal yang menunjuk keluar dari kluster nano plasmonik, $ \overrightarrow{S_{SC}} $menunjukkan vektor Poynting untuk medan yang tersebar. Integral dalam Persamaan (6) diambil alih permukaan tertutup dari pencar. Q adalah rapat rugi daya di oligomer. Integral dalam persamaan (7) diambil alih volumenya. Spektrum kepunahan dihitung dalam rentang panjang gelombang yang dipilih dari inframerah-tengah. Lapisan yang Sangat Cocok (PML) diterapkan di sekitar struktur nano yang diusulkan untuk menghindari bidang cahaya yang dipantulkan. Ketebalan graphene digabungkan setidaknya lima lapisan untuk menjamin akurasi simulasi.

Hasil simulasi dan diskusi

Pengaruh perubahan potensial kimia lokal nanodisk graphene dalam mode plasmonic

Untuk struktur yang diusulkan, spektrum kepunahan (Gbr. 2) menunjukkan dua resonansi menonjol yang terkait dengan eksitasi plasmon dalam oligomer graphene. Oligomer graphene mampu mempertahankan dua mode plasmonik, yang keduanya sensitif terhadap potensi kimia graphene μ _c . Dengan memvariasikan μ _c dari seluruh oligomer graphene dari 0,4 eV hingga 0,6 eV, kedua dua resonansi plasmonik menjadi intens, dan posisi bergerak ke rentang frekuensi yang lebih tinggi secara bersamaan. Peningkatan penyerapan yang berbeda dalam oligomer graphene dianggap berasal dari peningkatan kepadatan pembawa dengan meningkatnya μ _c , yang menciptakan celah optik di mana plasmon tidak dapat dipadamkan melalui kopling ke pasangan lubang elektron (redaman Landau). Peningkatan transisi pasangan elektron-lubang virtual yang diizinkan menimbulkan interaksi signifikan dari nanodisk graphene yang digabungkan secara koheren yang mengintensifkan kepunahan maksimum [21]. Kami memilih spektrum kepunahan dengan μ _c = 0.5eV sebagai tolok ukur dan dua puncak yang diberi label A₀ dan B₀ mewakili dua mode plasmonic yang berbeda dan medan listrik yang sesuai disajikan pada Gambar. 2b. Medan listrik terkonsentrasi yang kuat muncul sebagai titik panas elektromagnetik skala nano dan menyebabkan peningkatan kepunahan. Untuk puncak A₀ , hot spot terutama berkonsentrasi pada delapan nanodisk di atas dan bawah, dan terutama fokus pada empat nanodisk pada posisi tertinggi dan terendah dalam struktur nano. Untuk puncak B₀ , hot spot terutama berkonsentrasi pada delapan nanodisk di sisi kiri dan kanan, dan empat nanodisk paling terang berada di posisi paling kiri dan kanan dalam struktur nano, yang tegak lurus dengan mode puncak A₀ . Berdasarkan distribusi medan listrik yang berbeda dari puncak A₀ dan B₀ , kami mendefinisikan mode puncak A₀ sebagai mode Y dan mode puncak B₀ sebagai mode X untuk ekspresi yang jelas. Empat nanodisk graphene paling terang dalam mode Y sangat gelap dalam mode X dan sebaliknya. Empat nanodisk graphene lainnya yang terdiri dari persegi relatif cerah baik dalam mode Y dan mode X yang didefinisikan sebagai bagian persimpangan. Kami membagi nanodisk graphene perifer menjadi tiga bagian dengan potensi kimia yang berbeda μ _{c 1} , μ _{c 2} dan μ _{c 3} masing-masing (ditunjukkan pada Gambar. 3a dan b). Nanodisk dengan μ _{c 2} atau μ _{c 3} adalah bagian paling terang dalam mode Y atau mode X. Potensi kimia bagian persimpangan dan pusat μ _{c 1} menyimpan 0,5 eV dalam perhitungan berikutnya. Pada awalnya, μ _{c 2} meningkat menjadi 0,6 eV dan yang lainnya tetap 0,5 eV (ditunjukkan pada Gambar 3a). Lalu μ _{c 3} meningkat menjadi 0,6 eV dan yang lainnya tetap 0,5 eV (ditunjukkan pada Gambar 3b). Dengan mengubah μ _{c 2} atau μ _{c 3} untuk 0,6 eV masing-masing, serangkaian variasi spektral tampak muncul pada Gambar. 3c. Kita dapat melihat bahwa dengan mengubah potensial kimia dari nanodisk graphene sectional dan membiarkan parameter lainnya konstan, konfigurasi ulang yang fleksibel dari keseluruhan bentuk spektral diperoleh, dimanifestasikan oleh perubahan sistematis pada ketinggian dua puncak resonansi. Pada Gambar. 3d, medan listrik dari mode varian Y dan mode X diplot secara rinci. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 1c, bagian nyata dari n_eff berbanding terbalik dengan potensial kimia. Dengan demikian ketika potensi kimia meningkat, kurungan cahaya datang menjadi lemah. Mekanisme perubahan potensial kimia lokal pada graphene oligomer adalah, peningkatan potensial kimia mengurangi interaksi antara cahaya dan nanodisk graphene, dan mendorong hot spot ke nanodisk di sekitarnya. Jika orientasi mendorong adalah ke lokasi resonansi plasmonik yang kuat, resonansi diperkuat secara mencolok, jika tidak maka akan berkurang. Ini berarti bahwa efek perubahan potensial kimia lokal bergantung pada distribusi medan listrik dari mode yang berbeda. Ketika μ _{c 2} meningkat menjadi 0,6 eV, puncak A₀ menurun secara signifikan dan pergeseran merah ke puncak A₁ karena kurungan lemah dari empat nanodisk graphene paling terang untuk cahaya insiden, di mana titik panas terutama berkonsentrasi pada bagian persimpangan. Secara bersamaan, puncak B₀ meningkat secara signifikan dan pergeseran biru ke puncak B₁ , yang dikaitkan dengan fakta bahwa peningkatan μ _{c 2} cukup meningkatkan mode X. Untuk μ _{c 3} =0,6 eV, sebaliknya. Puncak A₀ sedikit meningkat dan merah bergeser ke puncak A₂ timbul dari peningkatan mode Y dengan μ _{c 3} meningkat. Sementara itu, puncak B₀ biru bergeser ke puncak B₂ dan menurun dengan konsentrasi titik panas di bagian persimpangan, yang sesuai dengan puncak A₁ .

a Spektrum kepunahan oligomer graphene dengan potensi kimia berkisar antara 0,4 hingga 0,6 eV. b Medan listrik yang disimulasikan (|E|) di dua puncak resonansi

a , b Ilustrasi skema nanodisk graphene seleksi dengan perubahan potensial kimia yang berbeda dalam oligomer graphene. c Spektrum kepunahan dengan potensi kimia yang berbeda. d Medan listrik yang disimulasikan (|E|) pada puncak resonansi A₀ , A₁ dan A₂ , B₀ , B₁ dan B₂

Variasi mode Y dan mode X ini menimbulkan penurunan atau peningkatan spektrum kepunahan. Kontrol fleksibel atas kurva kepunahan dicapai dengan menyesuaikan perilaku EM dari mode Y dan mode X yang timbul dari penambahan secara selektif potensi kimia nanodisk graphene, yang membuka jalan baru untuk merancang perangkat nano graphene dengan fungsi yang berbeda. Misalnya, ketika μ _{c 2} = 0.6eV, puncak A₀ menjadi lebih rendah saat puncak B₀ meningkat secara signifikan, yang membuat oligomer graphene cocok untuk peredam efisien tinggi. Sebaliknya, ketika μ _{c 3} = 0.6eV, nilai dua puncak mendekati, yang memudahkan untuk merancang sensor nano pita ganda.

Peningkatan mode dengan meningkatkan potensi kimia bagian perpotongan

Untuk medan elektromagnetik dari dua mode plasmonik, bagian persimpangan yang terdiri dari empat nanodisk graphene antara dua mode plasmonik muncul. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3d, medan listrik terutama berkonsentrasi pada empat nanodisk graphene di bagian persimpangan dengan mengubah potensi kimia secara lokal. Jadi kami percaya bahwa potensi kimia bagian perpotongan mempengaruhi karakteristik EM oligomer graphene dan profil spektrum kepunahan. Kami mendistribusikan kembali potensi kimia dalam oligomer graphene. Potensi kimia dari empat nanodisk graphene di bagian persimpangan ditetapkan sebagai μ _{c 2} . Potensi kimia nanodisk lain μ _{c 1} tetap pada 0,5 eV (ditunjukkan pada Gambar. 4a). Berdasarkan mekanisme perubahan potensial kimia lokal, peningkatan potensial kimia dari bagian persimpangan mengintensifkan mode Y dan mode X. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b, dengan meningkatnya μ _{c 2} , spektrum kepunahan diubah secara drastis. Ketika μ _{c 2} meningkat menjadi 0,6 eV, kedua puncak resonansi memiliki promosi dibandingkan dengan μ _{c 2} =0,5 eV. Perlu dicatat bahwa ada puncak resonansi baru yang muncul di sekitar puncak resonansi mode Y. Ketika μ _{c 2} meningkat lebih lanjut menjadi 0,7 eV, dua puncak resonansi menjadi lebih kuat dan puncak resonansi baru jelas muncul di sekitar puncak resonansi mode Y. Penjelasan dari peningkatan kuat puncak resonansi adalah bahwa peningkatan μ _{c 2} secara efisien mengintensifkan mode Y dan mode X. Peningkatan μ _{c 2} memfasilitasi osilasi plasmonik dari empat nanodisk graphene masing-masing dalam mode Y dan mode X. Puncak resonansi mode Y membelah menjadi dua puncak resonansi adalah proses degenerasi. Seperti ditunjukkan pada Gambar 4c, dua puncak resonansi yang diberi label I dan II memiliki medan listrik yang sama tetapi komponen medan listriknya berbeda. Arah Ey dari puncak I dan II tegak lurus satu sama lain, yang mewakili dua mode plasmonik yang diturunkan dari mode Y. Dua mode plasmonic baru awalnya bergabung dalam mode Y, dan dua mode mulai terpisah dengan μ _{c 2} meningkat. Selain itu, kedua puncak resonansi merosot dengan μ _{c 2} = 0.6eV jauh lebih besar dari puncak resonansi dengan μ _{c 2} =0.5eV. Sedemikian rupa, dengan memilih nanodisk graphene dari bagian persimpangan untuk meningkatkan potensi kimianya, seseorang dapat meningkatkan semua puncak resonansi dalam spektrum kepunahan. Diusulkan untuk meningkatkan penyerapan nanodisk graphene dengan secara selektif mengubah potensi kimia nanodisk graphene adaptif, yang membantu merancang perangkat nano plasmonik yang mampu menyerap cahaya dengan efisiensi tinggi.

a Ilustrasi skema nanodisk graphene seleksi dengan potensi kimia yang berbeda untuk mengubah potensi kimia bagian persimpangan. b Spektrum kepunahan dengan meningkatnya potensi kimia bagian persimpangan dari 0,5 eV menjadi 0,7 eV. c Medan listrik (|E|) dan medan listrik komponen y (Ey) pada puncak resonansi I dan II

Pengaruh potensial kimia nanodisk pusat

Nanodisk graphene pusat yang dimasukkan ke dalam oligomer graphene bertujuan untuk memungkinkan struktur nano memiliki lebih banyak fleksibilitas dan menyelidiki lebih lanjut efek perubahan kimia lokal di posisi yang berbeda. Karena jarak yang besar antara nanodisk graphene pusat dan nanodisk graphene perifer, nanodisk graphene pusat tidak dapat berpasangan dengan nanodisk graphene lainnya dalam dua mode plasmonic. Di bagian ini, kami menetapkan potensi kimia nanodisk graphene pusat sebagai μ _{c 2} . Lainnya ditetapkan sebagai μ _{c 1} menjaga 0,5 eV (ditunjukkan pada Gambar. 5a). Mengubah potensi kimia nanodisk graphene pusat μ _{c 2} mampu memodifikasi bidang EM dari oligomer graphene tanpa mengubah geometri. Hasil dengan meningkatkan μ _{c 2} ditunjukkan pada Gambar. 5b dan c. Peningkatan μ _{c 2} meningkatkan osilasi plasmonik dari nanodisk graphene pusat. Namun, ketika peningkatan μ _{c 2} relatif kecil, kekuatan osilator nanodisk graphene pusat tidak cukup untuk mendukung mode plasmonic baru dan mempengaruhi mode intrinsik, sehingga spektrum kepunahan μ _{c 2} = 0.6eV hampir tidak ada perubahan dibandingkan dengan μ _{c 2} = 0.5eV, di mana dua puncak resonansi masih muncul (ditunjukkan pada Gambar 5b). Ketika μ _{c 2} mencapai nilai yang besar (0,8 eV), puncak resonansi baru muncul dengan jelas dalam spektrum kepunahan (ditunjukkan pada Gambar. 5c). Peningkatan besar osilasi plasmonik sangat mengubah profil spektrum kepunahan. Puncak resonansi baru berasal dari interaksi yang kuat antara cahaya insiden dan nanodisk graphene pusat, di mana bidang EM terutama berkonsentrasi pada nanodisk graphene pusat, yang didefinisikan sebagai mode pusat. Puncak resonansi yang didukung oleh mode pusat jauh lebih besar daripada dua puncak resonansi intrinsik, sedangkan dua puncak resonansi intrinsik ditekan secara drastis dan bahkan menghilang dalam spektrum kepunahan. Efek dari μ _{c 2} berbeda dari efek yang dibahas sebelumnya, karena nanodisk graphene pusat tidak terkandung dalam mode plasmonic bawaan. Efek dari μ _{c 2} terdiri dengan mengubah potensi kimia oligomer graphene utuh yang dibahas di awal. Dengan cara seperti itu, dengan meningkatkan μ _{c 2} , seseorang dapat merancang perangkat plasmonik baru yang mampu menyerap cahaya yang datang secara efisien. Menggabungkan dengan studi yang disebutkan di atas, penjahit fleksibel lokalisasi medan elektromagnetik dapat dicapai dengan secara tepat menyesuaikan potensi kimia nanodisk graphene di posisi yang berbeda.

a Ilustrasi skema nanodisk graphene pilihan dengan potensi kimia yang berbeda untuk mengubah potensi kimia nanodisk graphene pusat. b Spektrum kepunahan oligomer graphene dengan potensi kimia nanodisk graphene pusat μ _{c 2} = 0.5eV dan μ _{c 2} = 0.6eV. c Spektrum kepunahan oligomer graphene dengan potensi kimia nanodisk graphene pusat μ _{c 2} =0.8eV. Sisipan menunjukkan medan listrik (|E|) pada puncak resonansi

Dalam praktiknya, graphene lapisan tunggal atom kontinu pertama kali ditumbuhkan menggunakan metode deposisi uap kimia yang dioptimalkan dengan CH₄ sebagai sumber karbon. Kemudian film graphene ditentukan menjadi monolayer dengan pengukuran Raman. Litografi berkas elektron dengan poli(metil metakrilat) (PMMA) sebagai penahan berkas elektron digunakan untuk mempola film graphene untuk menghasilkan struktur nano yang diusulkan, dan area yang terpapar tergores oleh plasma oksigen, sehingga pola graphene tetap terlindungi. oleh lapisan PMMA dengan pengangkatan berikutnya menggunakan aseton. Kemudian perangkat siap untuk diuji. Potensi kimia dapat disetel melalui manipulasi kimia dan doping elektrostatik. Untuk doping kimia, perubahan potensial kimia lokal dapat diwujudkan dengan memaparkan nanodisk graphene yang diperlukan ke HNO₃ uap dan secara bersamaan mencegah kontak antara nanodisk graphene lain dan HNO₃ uap air. Untuk doping elektrostatik, konfigurasi gerbang atas yang sesuai dapat memanipulasi potensi kimia graphene secara lokal dengan memasok tegangan gerbang atas.

Kesimpulan

Sebagai kesimpulan, kami telah menunjukkan keserbagunaan oligomer graphene untuk memodifikasi perilaku EM dan bentuk garis spektral dengan memvariasikan potensi kimia graphene pada skala nano. Karakteristik dirangkum dari medan listrik dan spektrum kepunahan dari berbagai potensi kimia. Pertama, dengan mengubah potensi kimia dua nanodisk graphene dalam mode Y dan mode X masing-masing, variasi fleksibel dari dua puncak resonansi muncul dalam spektrum kepunahan. Kedua puncak resonansi dapat ditingkatkan atau dikurangi dengan mengubah potensi kimia yang berbeda dari oligomer graphene. Kedua, peningkatan potensial kimia bagian perpotongan mengintensifkan kedua puncak resonansi dan menimbulkan degenerasi mode Y. Ketiga, potensi kimia yang tinggi dari nanodisk graphene pusat mampu mendukung puncak resonansi yang kuat dan secara bersamaan menahan dua puncak resonansi bawaan. Ketergantungan oligomer graphene pada potensi kimia menunjukkan bahwa seseorang dapat memodifikasi perilaku EM dari struktur nano graphene dengan potensi kimia tanpa memodifikasi geometri. Penelitian sebelumnya berdasarkan struktur nano graphene hanya dapat mengubah satu puncak serapan dengan mengubah potensial kimia seluruh graphene [19,20,21,22,23], tetapi metode perubahan potensial kimia graphene dalam makalah ini dapat menyesuaikan spektrum dengan tambahan fleksibilitas, yang memunculkan fenomena EM yang lebih unggul. Dalam bidang aplikasi praktis, penelitian kami memberikan tingkat kebebasan baru untuk memodifikasi plasmonik graphene dengan menyetel potensi kimia dari struktur nano graphene. Struktur nano graphene menyediakan platform yang mudah untuk mengembangkan perilaku EM dengan cahaya dalam dua dimensi, yang membuka jalan bagi desain perangkat nano plasmonic berbasis graphene untuk nanosensing, light trapping, dan photodetection.

Singkatan

EM:: Elektromagnetik
MM:: Metamaterial
PML:: Lapisan yang Sangat Cocok
PM:: Molekul plasmonik
SPP:: Polariton plasmon permukaan
SP:: Plasmon permukaan

Nanoalginat melalui Inverse-Micelle Synthesis:Doxorubicin-Encapsulation dan Sitotoksisitas Kanker Payudara Potensi Antioksidan Ekstrak Artemisia capillaris, Portulaca oleracea, dan Prunella vulgaris untuk Biofabrikasi Emas Nanopartikel dan Penilaian Sitotoksisitas

bahan nano