Modulasi Dual-Mode On-to-Off Transparansi Induksi Plasmonik pada Metasurface Grafit Terahertz

Abstrak

Kami mendemonstrasikan efek transparansi induksi plasmonik (PIT) yang dapat disesuaikan pada metasurface grafit yang terdiri dari pita dan strip yang saling berseliweran. Simulasi domain waktu perbedaan hingga (FDTD) dan teori mode terhubung (CMT) mengungkapkan bahwa dua tegangan gate independen dapat secara selektif menekan celah transmisi kiri atau kanan, mencapai modulator dual-mode on-to-off. Struktur secara bersamaan menyediakan 50 % serap dan tunda grup 0,7 ps, menunjukkan janjinya untuk penyerap THz dan perangkat cahaya lambat. Studi coupling yang rinci mengklarifikasi peran geometri, menyediakan platform serbaguna untuk modulator multifungsi.

Pendahuluan

Polariton permukaan plasmon (SPP) memungkinkan pembatasan di bawah panjang gelombang dan peningkatan medan dekat yang kuat, menjadikannya tidak tergantikan untuk fotonika terintegrasi. Sementara SPP berbasis logam menderita kehilangan intrinsik, grafit lapis tunggal menawarkan mode plasmonik rendah kehilangan dan dapat disesuaikan dalam domain mid-infrared dan THz. Kepadatan pembawa grafit dapat dimodulasi melalui penggeseran elektrostatis, memungkinkan kontrol dinamis respons optiknya tanpa perlu rekonfigurasi struktural.

Transparansi induksi plasmonik (PIT) timbul dari interferensi destruktif antara mode bright (superradiant) dan mode dark (subradiant). Dalam metasurface grafit, PIT telah dilaporkan dalam pita tunggal, tumpukan berlapis, dan struktur hibrida. Namun, sebagian besar desain hanya memungkinkan pengaturan single-mode, biasanya dengan menggeser tingkat Fermi, dan kurang memiliki switching on-to-off yang efisien dari puncak transmisi.

Di sini, kami mengusulkan metasurface grafit yang terdiri dari pita dan strip yang teratur secara periodik pada substrat silikon. Dua elektroda gate independen menyesuaikan tingkat Fermi masing-masing pita dan strip, memberikan kontrol dual-mode PIT. Desain ini kompatibel dengan grafit tumbuh CVD dan proses transfer yang sederhana, memastikan hasil tinggi dan resistensi permukaan rendah.

Metode

Sel unit metasurface (Gambar 1c) berisi pita grafit (panjang 6 µm, lebar 4 µm) dan strip grafit (panjang 2,9 µm, lebar 0,8 µm) yang dipisahkan oleh jarak d = 0,8 µm dan tergeser secara lateral sebesar S = 1,55 µm. Substrat silikon (ketebalan 300 nm) menyediakan lingkungan dielektrik. Tegangan gate Vg1 (pita) dan Vg2 (strip) menyesuaikan energi Fermi masing-masing melalui

di mana parameter adalah konstanta Planck yang dikurangi, kecepatan Fermi, dan konstanta dielektrik. Konsentrasi pembawa hingga 4×10¹⁸ m⁻² (E_f ≈ 1,17 eV) telah dicapai secara eksperimental. Konduktivitas optik didominasi oleh istilah intraband:

dengan τ = μE_f/(ev_F²) dan mobilitas μ diatur ke 1–3 m² V⁻¹ s⁻¹. Konstanta propagasi β diikuti dari hubungan dispersi SPP yang didukung grafit (Eq. 7). Kami menyelesaikan masalah gelombang penuh menggunakan FDTD (CST Microwave Studio) dan memasang spektrum dengan CMT (Eq. 13–15) untuk mengekstrak faktor kualitas dan koefisien coupling.

Hasil dan Pembahasan

Simulasi transmisi (Gambar 2a) menunjukkan resonansi bright single-mode dalam strip (celah ≈ 7,9 %) dan mode dark dalam pita (puncak ≈ 1,0). Kedua elemen coexist, puncak PIT mencapai 88,6 % karena interferensi. Peta medan listrik mengonfirmasi lokasi medan pada pita dan strip, menjelaskan faktor kualitas yang ditingkatkan.

Switching on-to-off dual-mode dicapai dengan mengubah Vg1 atau Vg2. Memperbaiki tingkat Fermi strip pada 1,0 eV sementara menyapu pita dari 0,6 ke 1,2 eV menyebabkan celah kiri mendalam (on→off) dan bergeser ke biru (≈ 0,3 THz). Sebaliknya, menyapu strip sementara memperbaiki pita menghasilkan efek yang sama pada celah kanan. Ambang switching (transmitansi = 0,3) tercapai antara 0,8 dan 1,0 eV untuk kedua mode, memungkinkan kontrol independen.

Spektrum serapan (Gambar 4) menunjukkan puncak 50 % bahkan pada tingkat Fermi rendah, karena kehilangan intrinsik yang meningkat. Bergeser ke biru menyertai konsentrasi pembawa yang lebih tinggi. Cocokan CMT sesuai dengan kurva FDTD, mengonfirmasi validitas model dua-osilator.

Peningkatan mobilitas grafit dari 1 ke 3 m² V⁻¹ s⁻1 mempertajam celah PIT, menyempitkan bandwidth 3 dB, dan meningkatkan tunda grup hingga 0,7 ps (Gambar 5). Tunda grup negatif pada celah menunjukkan perilaku cahaya cepat. Respons fasa juga menskalakan dengan mobilitas.

Pengaturan geometri (Gambar 6) menunjukkan bahwa jarak coupling d terutama mempengaruhi celah kiri, sementara lebar dan panjang strip mempengaruhi faktor kualitas dan pemisahan spektral. Pergeseran lateral S memiliki efek yang bisa diabaikan pada insiden berpolari x.

Kesimpulan

Kami telah menunjukkan bahwa metasurface grafit dengan pita dan strip yang diberi gate secara independen mendukung resonansi PIT yang dapat disesuaikan yang dapat dihidupkan atau dimatikan di dua frekuensi terpisah. Perangkat secara bersamaan mencapai serap tinggi (≈ 50 %) dan tunda grup cahaya lambat yang signifikan (0,7 ps). Dengan menyesuaikan geometri dan mobilitas pembawa, posisi spektral, kedalaman, dan kualitas PIT dapat ditailor, menawarkan platform serbaguna untuk modulator THz, penyerap, dan garis tunda.