Graphene plasmons in optically forged structures

Abstract

Grafeenin plasmoneiden aikaansaamiseksi täytyy jollakin tavoin poistaa virittävän valon fotonien liikemäärän ja grafeenin plasmoneiden aaltovektorin liikemäärän välinen suuri ero. Tämän tutkielman tarkoituksena oli saada aikaan grafeenin plasmoneita hyödyntämällä optisella taonnalla tehtyjen rengasrakenteiden aallonpituutta pienempiä piirteitä, joiden pitäisi teoreettisesti ratkaista tämä liikemääräongelma. Optisella taonnalla voidaan muodostaa 3Dkuvioita 2D materiaaliin käyttäen hyväksi ultranopeiden laserpulssien aiheuttamaa jännitettä 2D materiaalin rakenteessa. 2D materiaali pyrkii purkamaan tätä jännitettä venyttämällä ja taivuttamalla sidoksiaan ja muodostamalla pistemäisiä hilavirheitä rakenteeseensa, muodostaen 3D rakenteet. Vaikka optisen taonnan taustalla onkin osittain pistemäisten virheiden muodostuminen materiaalin hilaan, ovat materiaalin tyypilliset rakenteet silti hallitsevia ja säilyttävät materiaalin, tässä tapauksessa grafeenin, elektroniset ominaisuudet. Lisäksi suurempia, nanokaistaleita muistuttavia hilarakenteita kuvioitiin optisella taonnalla grafeeniin, sillä nanokaistaleiden tutkimuksissa on aiemmin onnistuttu havaitsemaan plasmoneita samanlaisin mittausmenetelmin, kuin mitä tässä työssä hyödynnetään. Plasmoneita yritettiin havaita mittaamalla kuvioiduista alueista infrapuna-absorption muutoksia, sillä plasmoneiden oletettiin olevan kaukoinfrapuna- tai terahertsi- alueella. Koska infrapuna-absorptiossa ei havaittu muutoksia, vaikka erilaisia rakenteita ja mittauksia yritettiin, johtopäätöksenä esitetään, etteivät optisesti taotut kuviot ole välttämättä riittäviä liikemääräeron poistamiseen ja täten plasmonien synnyn mahdollistamiseen. On myös mahdollista ettei plasmoneita havaittu, koska ne olivat kauempana terahertsi- alueella kuin mihin laitteen mittausalue yltää, tai laitteen infrapunalähteen signaali näytteestä ei ollut riittävä havaitsemaan plasmonien aiheuttamia muutoksia absorptiossa. Varmistuksen tämän tutkielman tulokselle voisi saada sulkemalla edellä mainitut tekijät pois esimerkiksi mittaamalla samoja asioita asian mukaisen aallonpituusalueen omaavan SNOM:in avulla tai kuvioimalla entistä suurempia optisesti taottuja alueita, jolloin FTIR mittausten signaalia saataisiin parannettua.

The goal of this thesis is to use the sub-wavelength features of optically forged blister structures to overcome the large mismatch between the wave vector of the incident light and the wave vector of graphene plasmons. Optical forging is a method where 3D patterns can be irradiated into 2D materials via ultra-short laser pulse introduced strain, which the material tries to overcome by bending, stretching bonds and creating point defects in the structure. Even though these optically forged structures in graphene have point defects, their overall structure is still graphene and thus they should exhibit largely the same electrical properties and be able to support GSPs. Larger structures that resemble graphene nanoribbons were also forged and tested for plasmonic resonances. The plasmon measurements were done with FTIR microscope as plasmons change the light absorption. Possible GSPs were expected to be in the FIR or THz range. As no change in the IR response was detected between unpatterned and patterned areas despite multiple attempts with different structures and parameters, it could be that optically forged structures are not enough to overcome the wavevector mismatch and allow excitation of plasmons in graphene. The plasmons could also be further in the THz region and thus not visible in the measurements or the FTIR laser signal could have been insufficient for any plasmonic response to be detectable. To overrule these possible sources of error, larger structures which allow larger apertures and thus better signal for measurements, or SNOM with sufficient measurement range could be used to perform similar experiments.