빛에 의해 구동되는 나노스케일의 벡터 전류
Abstract
제어된 전하 흐름은 에너지와 정보의 운반체로서, 재료의 특성과 동력학의 탐사 수단으로서, 또한 깨어진 대칭을 드러내거나 심지어 유도하는 수단으로서 과학과 기술의 많은 분야에서 근본적인 역할을 합니다. 특히, 광기반 전류 제어 방법의 등장은 기존의 전압 구동 시스템의 속도와 적응성 제한을 넘어서는 특히 유망한 경로를 제공합니다. 그러나 나노미터 공간 규모에서의 광학적 생성 및 전류 조작은 기본적인 도전이며, 마이크로전자 및 정보 과학을 위한 확장 가능한 광전자 시스템으로 나아가는 중요한 단계입니다. 여기서 우리는 광속 광 펄스가 대칭이 깨진 플라즈모닉 나노구조 주변에서 지역적인 방향성 전하 흐름을 유도하는 벡터 광전자 메타표면을 소개합니다. 이는 가변 반응과 나노미터 스케일 하위의 임의의 패턴화를 가능하게 합니다. 국소 대칭과 벡터 전류는 편광 의존적이고 파장 민감한 전기적 읽기 및 테라헤르츠(THz) 방출을 통해 드러나며, 공간적으로 맞춤형된 글로벌 전류는 탐색하기 어려운 광대역 THz 벡터 빔의 직접 생성에서 입증됩니다. 우리는 그래핀에서, 극도로 공간적 및 시간적으로 국한된 흥분 하에서 빠르게 진화하는 나노스케일 구동력과 전하 흐름을 유발하는 전기역학적, 열역학적, 유체역학적 자유도 간의 세부적인 상호작용을 보여줍니다. 이 결과들은 재료 진단, THz 분광학, 나노자기학 및 초고속 정보 처리에서 나노스케일 전류의 다용도 패턴화 및 광학적 제어를 위한 무대를 마련합니다.
Figure
Ultrafast directional photocurrent
– 금 나노안테나가 강한 빛을 집중시켜 그래핀에서 지역적 전류를 만들고, 이 전류는 테라헤르츠 파동을 방출
Figure 1. 대칭이 깨진 광전자 메타표면에서의 방향성 광전류
(A) 그래핀 위에 대칭이 깨진 금 나노안테나로 이루어진 광전자 메타표면의 그림
(B) 800 nm(파랑)과 1,550 nm(주황)에서 공명하는 두 나노안테나 디자인에 대한 측정(실선) 및 시뮬레이션(실선으로 채움) 전송 스펙트럼
(C) 측정된 입력 파장에 따른 THz 필드 진폭(데이터 표시 기호와 함께 실선) 및 직류 광전류(파선), 그리고 시뮬레이션된 필드 강도(실선으로 채움), 상단 삽입물: 제작된 나노안테나 요소의 주사 전자 현상학. 하단 삽입물: 시뮬레이션된 플라즈모닉 필드 증폭. 스케일 바, 200 nm.
(D) 공명적으로 자극된 800 nm(왼쪽) 및 1,550 nm(오른쪽) 메타표면에서 방출된 측정된 THz 시간 영역 신호와 1 mm 두께의 ZnTe로부터의 신호 비교
(E) 입력 플루언스에 따른 THz 필드 진폭 및 직류 광전류 출력
[Figure 1A] 광전자 메타표면 개념, 대칭성이 깨진 금 나노안테나는 번개 막대로 작용하여, 날카로운 끝 부분에서 강력하고 공진적으로 향상된 빛 필드를 생성
[Figure 1B] 플라즈모닉 공명은 나노안테나 구조(모양 및 크기), 재료 및 유전 환경에 따라 가시광에서 적외선 파장까지 넓게 조절. 구조 조정은 여기서 800 nm 및 1,550 nm에서의 공진을 위해 활용되며, 이는 측정 및 시뮬레이션 된 투과 스펙트럼에서 명확하게 관찰됨.
[Figure 1C] 그림 1c에 표시된 초고속 THz 필드 및 직류 광전류의 대응하는 증가는 시뮬레이션된 광필드 강도 증가와 잘 일치하여 (비대칭적인) 플라즈모닉 필드의 중심 역할을 강조하는 광전류 생성 과정을 강조
[Figure 1D] 800nm와 1,550nm 메타표면에서 자유 공간 전기 광학 샘플링을 통해 (방법을 참조), 단일 주기 THz 펄스가 관측 (그림 1d). 이는 수백 페메토초의 시간 척도에서 광전류 상승 및 감쇠를 나타냄.
[Figure 1E] 800nm 메타표면에서 약 0.8 µJ cm^−2 미만의 조사 플루언스에서는 THz 필드 진폭 및 광전류 출력 모두에 대해 조사 플루언스에 대한 선형 의존성이 관찰됨(그림 1e). 이는 광전효율 또는 포토-데머 효과와 같은 다양한 가능한 메커니즘에서 발생.
Local vectorial photocurrent
– 메타표면은 빛의 방향과 강도를 조절하여, 나노스케일에서 방향을 정할 수 있는 광전류 생성
Figure 2 편광 종속적인 지역적 반응과 만능적인 방향 제어
(A), (B) 전체 메타표면 크기가 1 mm²인 800 nm 공명을 가진 균일하게 정렬된 (a) 카고메 (b) 메타표면의 주사 전자 현상학 이미지
(C), (D) 주어진 선형 편광 각도에 대해 균일하게 정렬된(c) 및 카고메 (d) 메타표면의 방사된 THz 필드의 x (빨강) 및 y (파랑) 성분 (데이터 표시 기호와 함께 실선) 및 광전류 (파선) 측정
(E) 거의 일정한 광전류 크기(보라색)와 지속적으로 회전 가능한 방향(회색)을 보여주는 카고메 메타표면
[Figure 2A, 2C] 방향성이 있는 메타표면은 특히, 광원의 선형 편광 각도에 대한 cos2(θ) 의존성을 나타내며, 이는 투사된 자극 필드 강도에 대한 선형 의존성의 특성임
[Figure 2B, 2D, 2E] 우리는 세 개의 회전 대칭축과 세 개의 대칭면을 갖는 카고메 격자 메타표면 (그림 2b)에서 이 일반적인 원칙을 적용. 전역 및 해당 지역 광전류 방향성은 조사 선형 편광 각도를 변화시킴으로써 연속적으로 회전함 (그림 2d,e), 그리고 핫스팟 자극의 선형 조합은 일정한 광전류 크기를 유지함(그림 2b).
공간적으로 변하는 벡터 광전류.
– 메타표면을 통해 빛에 반응하여 다양한 방향과 모양의 전류를 생성할 수 있으며, THz 필드의 방향을 정밀하게 조절 가능
Figure 3. 전체적인 벡터 전류와 THz 벡터 빔
(A) 원형 편광에 의한 광자 자극시 예상되는 방사형 광전류를 화살표로 나타낸 방사형 벡터 메타표면 중심 영역의 주사 전자 현상학 이미지
(B) 펄스 피크에서 측정된 총 THz 필드 크기 (색상 지도 및 흰색 화살표의 길이)와 방향 (흰색 화살표의 방향)를 보여주는 방사형 THz 벡터 필드의 멀리 있는 공간 지도
(C) 방사형 THz 벡터 빔의 x 및 y 필드 성분에 대한 측정된 (위) 대 이상적인 (아래) Hermite-Gaussian 모드
(D) x 위치에 따른 일시적인 THz 필드를 보여주는 방사형 Ex 이미지의 라인 아웃과, 빔을 횡단할 때 극성 반전을 보여주는 예시 THz 시간 영역 파형
(E-G) a-c와 동일하지만 방사형 벡터 메타표면과 THz 벡터 빔에 대한 것
[Figure 3A, 3E] 거의 임의의 제어를 위한 비균일한 공간 패턴화는 광전류 분포를 거의 임의의 제어로 마크로 스케일까지 구현. 이것은 반경 (그림 3a) 및 방위각 (그림 3e) 메타표면을 통해 시연됨
[Figure 3D]위치에 따른 전체 시간, 주파수 및 극성 정보를 읽어내는 고처리량 THz 방출 분광학 시스템을 사용하여 초스펙트럼 이미징을 위해 멀리 떨어진 THz 빔을 스캔
[Figure 3B, 3C, 3F, 3G]명확한 반경 극성 (그림 3b, c) 및 방위 극성 (그림 3f, g) THz 필드를 보여주며, 공간적으로 다양한 벡터 광전류를 명확하게 확인
광열전 전자 역학
– 빛이 그래핀에 닿을 때 발생하는 열을 이용하여 전기를 만드는 ‘광열전기 효과’가 큰 역할
Figure 4. 지역 광열전 운전력 및 결과적인 나노스케일 전하 흐름
(A) 게이트 전압의 함수로 측정된 메타표면 장치의 전도도. 삽입물: b에 나와 있는 세 개의 게이트 전압에 대한 금고정 및 맨 그래핀 영역의 화학적인 포텐셜
(B) 계산된 ΔS0 (실선으로 채움)와 비교된 측정된 게이트 종속적인 전류 (파선). 삽입물: 팁 지역 가열과 해당하는 순 전하 운동이 이루어지는 게이트 장치 구성의 일러스트레이션
(C) S0의 공간 분포
(D) 입력 펄스 피크(0 fs) 시점에서 계산된 Te 분포의 스냅샷.
(E) Vg = 0 V 및 0 fs에서의 광열전기 x 가속도장
(F) Vg = 0 V 및 0 fs에서 구멍 유체의 수력동역학적 속도장.
[Figure 4A] 무보호 그래핀 영역에서 화학 포텐셜 µ 및 해당 전기 전도도 σ를 조절하기 위해 백게이트 전압 Vg가 적용
[Figure 4B] 광전류는 무보호 및 금 도핑된 그래핀 영역 간 차이 ΔS0의 비단조 의존성을 밀접하게 따름
[Figure 4C] 나노안테나 아래 그래핀의 화학적 포텐셜은 금과 고정되어 있으며, 이로 인해 공간적으로 다양한 씨벡 계수 (그림 4c)가 나타남.
[Figure 4D] 나노안테나 팁 주변에서 들어오는 펄스 플루언스가 0.5 µJ cm^−2 일 때 국소적인 광 파워 흡수는 최고 온도 Te가 3,000 K에 달하는 피크를 생성
[Figure 4E] 냉각되기 전에, ΔS∇Te에 비례하는 순 가속도가 전자 시스템에 나노안테나 축을 따라 작용
[Figure 4F] 전하 흐름은 시간에 따른 비압축성 나비에-스톡스 방정식을 통해 모델링
Disscussion
여기서 논의된 측정 및 모델링은 순수 지역 벡터 및 공간적으로 변화하는 벡터 광전류를 생성하는 초고속 나노스케일 전하 흐름을 설명합니다. 이러한 방식으로 구조 기반 패턴 대칭 및 광 기반 제어를 결합함으로써, 그렇지 않으면 실현 불가능한 전하 전류를 재료에서 구동하는 새로운 영역을 열어줍니다. 금과 그래핀을 넘어서, 이러한 효과는 광열전, 광전압 및 광주입 효과로 인해 예상되는 광전류 반응이 있는 반도체, 준금속, 위상 절연체, 강자성체 및 기타 재료의 광범위한 선택에서 탐색될 수 있습니다. 대칭이 깨진 나노스케일 구조는 알려지지 않은 지역 반응과 물리적 특성을 검토하기 위해 새로운 재료에도 부과될 수 있습니다. 더 나아가, 평면 키랄성의 도입은 나노자기 모멘트에 대한 동적 제어를 허용합니다(보충 자료 그림 12). 보다 일반적으로, 공간적으로 변화하는 광전류는 자유 공간이나 근처 재료에서 복잡한 자기장을 생성하는 데 사용될 수 있습니다. 여기서 우리는 정보 과학, 마이크로일렉트로닉스 및 THz 기술을 향한 대칭이 깨진 광전자 메타표면에서의 직접적인 편광/파장 분해 광검출 및 초고속 THz 생성을 직접 시연했지만, 나노자기학, 재료 진단, 초고속 정보 처리 및 에너지 수확을 포함한 다른 응용 분야에서 많은 기회가 등장할 것으로 예상합니다.