Усиление ТГц плазмонов в активном графене при диффузионной накачке оптическими плазмонами
1, 2, 1,2
1 Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени 2Саратовкий филиал Института радиотехники и электроники им. РАН
E-mail: *****@***ru
Рис.1 Схематическое изображение структуры |
Нулевая ширина запрещенной зоны в графене позволяет достичь отрицательной ТГц проводимости [1], а значит и усиления в ТГц диапазоне частот. Усиление ТГц плазмонов при прямой накачке графена оптическим излучением рассматривалось в [2,3], однако такой метод накачки недостаточно эффективен, поскольку поглощение оптического излучения в графене составляет менее 2,3% [4]. Метод диффузионной накачки графена, реализуемый с помощью внешней оптической накачки полупроводника (далее этот метод будем называть диффузионной накачкой 
оптическим излучением) и позволяющий 30 раз снизить мощность исходной оптической накачки, по сравнению с прямой накачкой графена, описан в работе [5].
В данной работе исследовано усиление ТГц плазмонов в графене с диффузионной накачкой оптическими плазмонами, распространяющимися вдоль поверхности металла, отделенного от графена слоем полупроводника и тонким слоем изолятора (рис. 1). Создание инверсной населенности носителей заряда в графене происходит путем амбиполярной диффузии в направлении к графену возбужденных оптическими плазмонами в полупроводниковом слое электрон - дырочных пар, которые захватываются в графен. Тонкая изолирующая прослойка предотвращает выброс носителей заряда из полупроводника в металл.
Дисперсионное соотношение для плазмонов в исследуемой структуре при пространственно-временной зависимости поля плазмона 
имеет следующий вид:
где 
и 
– соответственно нормальная и тангенциальная компоненты волнового вектора плазмона относительно поверхности металла, j = 1, 2, 3 – номер среды (1 – металл, 2 – полупроводник, 3 – окружающая среда, в расчетах предполагался воздух), 
– круговая частота плазмона, 
– относительная диэлектрическая проницаемость j-го слоя, 
– электрическая постоянная, d – толщина полупроводникового слоя, 
. Диэлектрическая проницаемость металла принимается в виде 
, где 
– частота столкновений электронов в металле, 
– плазменная частота, 
– электронная плотность в металле, 
– масса электрона в металле, 
- динамическая проводимость графена [2, 4]. Знак перед радикалом в выражении для 
выбирается из условия экспоненциального спада поля от поверхности металла.
Рис. 2. Зависимость концентрации носителей заряда в графене от толщины полупроводникового слоя при диффузионной накачке оптическим излучением (кривая 1) и при диффузионной накачке графена оптическими плазмонами (кривая 2) при мощности оптического излучения и оптического плазмона P=5,1∙104 Вт/см2 |
Максимальная концентрация носителей заряда в графене при диффузионной накачке оптическим излучением (кривая 1 на рис. 2) достигается при толщине полупроводникового слоя d≈2 мкм, сравнимой с длиной диффузии в полупроводнике. При диффузионной накачке графена оптическими плазмонами генерация носителей заряда происходит в тонком слое полупроводника за счет сильной локализации оптического плазмона. Максимальное значение концентрации носителей заряда в графене достигается при толщине полупроводникового слоя d ≈180 нм (кривая 2 на рис. 2), что на два порядка величины меньше длины диффузии в полупроводнике и, следовательно, практически все генерируемые оптическим плазмоном носители заряда достигают графена (доля рекомбинирующих электрон-дырочных пар мала). Вследствие этого, диффузионная накачка графена оптическими плазмонами позволяет достичь большей инверсии концентрации носителей заряда в графене при той же мощности накачки по сравнению с диффузионной накачкой графена оптическим излучением. Следовательно, диффузионная накачка графена оптическими плазмонами позволяет уменьшить мощность накачки, необходимую для достижения максимального значения коэффициента усиления ТГц плазмона в графене, по сравнению с диффузионной накачкой оптическим излучением.
Рис. 3. Зависимость коэффициента усиления ТГц плазмона в графене от мощности накачки при диффузионной накачке оптическим излучением (кривая 1) и при диффузионной накачке графена оптическими плазмонами (кривая 2) |
На рис. 3 представлен коэффициент усиления плазмонов в графене на частоте 7 ТГц в зависимости от мощности накачки для рассматриваемых типов накачки графена. Поведение кривых 1 и 2 на рис. 3 обусловлено конкуренцией процессов друдевского поглощения и усиления за счет межзонных переходов в графене [5]. Видно, что диффузионная накачка графена оптическими плазмонами (кривая 1) позволяет использовать на 25% меньшую мощность накачки, по сравнению с диффузионной накачкой графена оптическим излучением (кривая 2) для достижения максимального коэффициента усиления ТГц плазмонов в графене.
Работа поддержана РФФИ (проект №16-32-00524 мол_а).
Библиографический список
1. V. Ryzhii, M. Ryzhii, T. Otsuji Negative dynamic conductivity of graphene with optical pumping // Journal of Applied Physics. 2007. V. 101. P. 083114.
2. V. Ya. Aleshkin, A. A. Dubinov et al. Terahertz Laser Based on Optically Pumped Graphene: Model and Feasibility of Realization // JETP Letters. 2009. Vol. 89. P. 70.
3. A. A. Dubinov, V. Ya. Aleshkin et al.. Terahertz surface plasmons in optically pumped graphene structures // J. Phys.: Condens. Matter. 2011. V. 23. P. 145302.
4. R. R. Nair, P. Blake, A. N. Grigorenko, K. S. Novoselov, et al. Fine Structure Constant Defines Visual Transparency of Graphene // Science. 2008. V. 320, P. 1308.
5. M. Yu. Morozov, A. R. Davoyan et al. Active guiding of Dirac plasmons in graphene // Appl. Phys. Lett. 2015. V. 106. P. 061105.
Сведения об авторах
– аспирант, г
– к. ф. - м. н., г.
– д. ф. - м. н., профессор, г.
Вид доклада: устный
