Plásmon poláritons de superfície em grafeno sobre um substrato com épsilon próximo a zero

Abstract

Neste trabalho é proposto e demonstrado um método para facilitar a excitação de plásmon poláritons de superfície em grafeno, utilizando um substrato com função dielétrica próxima a zero. Foi utilizado como substrato o carbeto de silício (SiC) devido à sua função dielétrica ser próxima de zero na região do infravermelho médio, mesma região espectral onde se encontram os plásmons em grafeno. O uso deste tipo de substrato para a observação de plásmon poláritons em grafeno ainda não havia sido explorado e aumenta o comprimento de onda de plásmon, uma vez que este depende do ambiente dielétrico no qual está o material 2D, facilitando o casamento de fase com a luz incidente. São apresentados cálculos que estimam um comprimento de onda de plásmon da ordem de micrômetros, uma ordem de grandeza maiores do que com um substrato de óxido de silício, assim como uma distância de propagação efetiva também uma ordem de grandeza superior. A preparação e caracterização de amostras de grafeno esfoliado e grafeno crescido epitaxialmente, ambos sobre carbeto de silício, são descritas, e é apresentada uma nova forma de caracterizar a parte real da função dielétrica do substrato. Visando à detecção de plásmon poláritons nas amostras, são apresentadas medidas de microscopia óptica de varredura de espalhamento de campo próximo (ou s-SNOM, do inglês scattering-type scanning near-field optical microscopy). As medidas apresentam indícios de excitação plasmônica, porém mais experimentos são necessários para a comprovação dos resultados teóricos.

In this work, a method to facilitate the excitation of surface plasmon polaritons in graphene is proposed and demonstrated by using a substrate with its dielectric fuction close to zero. Silicon carbide was used as the substrate, as its dielectric function its close to zero in the mid infrared region, which is the spectral region in which graphene plasmons can be excited. The use of this kind of substrate for plasmon polariton excitation in graphene has not yet been explored in the literature and is expected to increase the plasmon wavelength, which depends on the dielectric media wherein the 2D material is inserted, facilitating phase matching with incident light. The calculations presented estimate a plasmon wavelength of the order of micrometers, which is one order of magnitude longer than those observed on silicon oxide substrates. A similar increase is observed in the polariton’s effective propagation length. The preparation and characterization of exfoliated and epitaxial graphene samples, both on silicon carbide, are described, as well as a new way of characterizing the real part of the substrate’s dielectric funcion. Scattering-type scanning near-field optical microscopy (s-SNOM) measurements are presented with the intent of detecting plasmonic excitation. The experiments show indications of plasmon polaritons, even though more experiments are need to confirm the theoretical results.