Plasmonics in graphene and related materials

Datum: 12 mei 2016

Locatie: UAntwerpen, Campus Groenenborger, U0.25 - Groenenborgerlaan 171 - 2020 Antwerpen

Tijdstip: 16 uur

Promovendus: Ben Van Duppen

Promotor: Fran├žois Peeters & Marco Polini

Korte beschrijving: Doctoraatsverdediging Ben Van Duppen - Departement Fysica



Abstract

Deze thesis stelt onderzoek voor naar de plasmon eigenschappen van grafeen en gerelateerde materialen. Plasmonen zijn collectieve dichtheidsoscillaties van de elektronvloeistof dat aanwezig is in deze twee-dimensionele materialen. Er worden vijf verschillende platformen onderzocht op hun plasmon eigenschappen: sterk gedoteerd grafeen, een grafeen-hexagonaal boor-nitride heterostructuur met ongebalanceerde valleien, siliceen in de nabijheid van externe velden, grafeen onder de invloed van een sterke elektrische stroom, en een rooster van grafeen nanostrips.

Voor het sterk gedoteerd grafeen vonden we dat hoewel de energie dispersie van de afzonderlijke elektronen driehoekig vervormd is, de plasmonen nog steeds isotroop zijn. Wordt het grafeen neergelegd op hexagonaal boor-nitride, dan worden er twee nieuwe soorten plasmon modi geobserveerd. Een van hen is een akoestische mode die ladingsneutraal is in de lange-golflengte-limiet, maar die licht gedempt is. De andere is een ongedempte mode die voor korte golflengten bestaat en deels ladingsneutraal is. Ook in siliceen kunnen plasmonen voorkomen. We tonen aan dat de levensduur van deze plasmonen beinvloed kan worden door externe elektrische- en uitwisselingsvelden het in- en uitschakelen van mogelijke enkele-deeltjes excitaties van een bepaald spin- en vallei type.

Wanneer men een sterke elektrische stroom doorheen grafeen laat vloeien, veranderen ook de optische eigenschappen van het kristal. We tonen aan dat de optische absorptie dubbelbrekend wordt als functie van de hoek tussen de richting van de stroom en de polarisatie richting van het licht. Verder worden de plasmonen in grafeen gecollimeerd in de richting van de stroom en krijgen ze een niet-reciproke energie dispersie. De excitatie van plasmonen in grafeen nanostrips is tot slot beschreven met een semiklassieke theorie. Aangezien de plasmonen lokaal de dichtheid en snelheid van de elektronen in de elektronvloeistof beinvloeden, veranderen ze ook de optische absorptie die bij gevolg oscilleert met de dubbele frequentie van de geëxciteerde plasmonen. Deze opstelling bewijst dat het mogelijk is om met grafeen een plasmon-gestimuleerde optische modulator te creëren.

Deze thesis presenteert nieuwe inzichten in het veld van plasmonica in grafeen en gerelateerde materialen. De resultaten kunnen helpen het ultieme doel van plasmonica te bereiken, namelijk het gebruik ervan in de fotonica.