Hybridization of graphene-gold plasmons for active control of mid-infrared radiation

等离子体子 石墨烯 光电子学 红外线的 表面等离子体子 材料科学 辐射 联轴节(管道) 光学 纳米技术 物理 冶金
作者
Matthew J. Feinstein,Euclides Almeida
出处
期刊:Scientific Reports [Nature Portfolio]
卷期号:14 (1)
标识
DOI:10.1038/s41598-024-57216-6
摘要

Many applications in environmental and biological sensing, standoff detection, and astronomy rely on devices that operate in the mid-infrared range, where active devices can play a critical role in advancing discovery and innovation. Nanostructured graphene has been proposed for active miniaturized mid-infrared devices via excitation of tunable surface plasmons, but typically present low efficiencies due to weak coupling with free-space radiation and plasmon damping. Here we present a strategy to enhance the light-graphene coupling efficiency, in which graphene plasmons couple with gold localized plasmons, creating novel hybridized plasmonic modes. We demonstrate a metasurface in which hybrid plasmons are excited with transmission modulation rates of 17% under moderate doping (0.35 eV) and in ambient conditions. We also evaluate the metasurface as a mid-infrared modulator, measuring switching speeds of up to 16 kHz. Finally, we propose a scheme in which we can excite strongly coupled gold-graphene gap plasmons in the thermal radiation range, with applications to nonlinear optics, slow light, and sensing.
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