Electrically controlled molecular fingerprint retrieval with van der Waals metasurface

石墨烯 材料科学 光电子学 等离子体子 范德瓦尔斯力 光谱学 极化子 电介质 红外线的 光学 纳米技术 分子 化学 物理 量子力学 有机化学
作者
Yunsheng Hu,Yihua Bai,Qing Zhang,Yuanjie Yang
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:121 (14) 被引量:4
标识
DOI:10.1063/5.0111940
摘要

Polaritons in two-dimensional van der Waals (vdW) materials possess extreme light confinement, which have emerged as a potential platform for next-generation biosensing and infrared spectroscopy. Here, we propose an ultra-thin and electric tunable graphene/hexagonal boron nitride/graphene metasurface for detecting molecular fingerprints over a broad spectrum. The vdW metasurface supports hybrid plasmon–phonon polariton resonance with high-quality factor (Q > 120) and electrically controlled broadband spectra tunability from 6.5 to 7 μm. After coating a thin layer of bio-molecular (e.g., CBP) on top of the metasurface, the molecular absorption signatures can be readout at multiple spectral points and, thus, achieve broadband fingerprint retrieval of bio-molecules. Additionally, our electric tunable metasurface works as an integrated graphene-based field-effect transistor device, without the need of multiple resonance generators such as angle-resolved or pixelated dielectric metasurfaces for broadband spectra scanning, thereby paving the way for highly sensitive, miniaturized, and electrically addressed biosensing and infrared spectroscopy.
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