ПЛАЗМОННЫЙ РЕЗОНАНС В НАНОСТРУКТУРИРОВАННОМ ГРАФЕНЕ

Введение
Плазмоника металлов, основанная на взаимодействии света со свободными электронами, произвела революцию в нанооптике, позволив преодолеть дифракционный предел и манипулировать светом в субволновых масштабах. Однако традиционные металлические плазмонные структуры страдают от высоких омических потерь и имеют фиксированные резонансные частоты, жестко связанные с геометрией.

1. Физические основы и особенности графеновых плазмонов
Плазмонные свойства графена описываются его комплексной поверхностной проводимостью σ (ω, μc​, Γ, T), рассчитываемой в приближении случайных фаз (RPA) или по формуле Кубо, где ω — частота,  μc​ — уровень химического потенциала (управляемый легированием), ΓΓ — скорость релаксации (характеризующая качество образца), T — температура.

Ключевые отличия от металлов:

1. Сверхсильное ограничение поля: Длина волны графенового плазмона λpl​≪λ​ (света в вакууме), степень сжатия увеличивается с понижением частоты.
2. Низкая групповая скорость: Плазмоны в графене имеют нерелятивистскую скорость, что способствует сильному свето-вещественному взаимодействию.
3. Широкая электрическая перестройка: Изменяя μc​ с помощью затворного напряжения (в полевой транзисторной конфигурации), можно сдвигать плазмонную частоту ∝4∝4ωpl​∝4ns​​∝4μc​​, где ns​ — поверхностная концентрация носителей. Это позволяет перекрывать диапазон от среднего ИК до ТГц.
4. Теоретически высокая добротность: В идеальном графене с высокой подвижностью отношение ∣/∣Im∣∣Re(σ)∣/∣Im(σ)∣ может быть значительным, особенно в ТГц-диапазоне, что сулит более низкие потери по сравнению с металлами на этих частотах.

2. Плазмонные резонансы в различных наноструктурах
Наноструктурирование накладывает граничные условия, квантуя волновой вектор плазмона kpl​ и порождая резонансные моды.

1. Графеновые наноленты (Graphene Nanoribbons, GNRs):

• Самая изученная конфигурация. Для ленты шириной W основная плазмонная мода имеет резонансную частоту ∝1/ωpl​∝1/W​.
• Возбуждаются поперечно-магнитной (ТМ) поляризацией, перпендикулярной краям ленты.
• Позволяют достичь сильного поля локализации на острых краях. Ширину резонанса и добротность определяет качество краев (хаотичные или ориентированные по зигзагу/креслу).

2. Графеновые нанодиски и нанокольца:

• Поддерживают геометрически локализованные моды, аналогичные плазмонным резонансам в металлических наночастицах, но с возможностью перестройки.
• Моды более высоких порядков (дипольная, квадрупольная и т.д.) могут возбуждаться в зависимости от геометрии и поляризации падающего света.

3. Антидотные решетки (нанодырки в сплошном графене):

• Периодическая перфорация создает фотонно-плазмонные зонные структуры, подавляя распространяющиеся плазмоны в определенных полосах частот.
• Позволяют эффективно связывать падающий свет с плазмонами за счет дифракции на решетке, обеспечивая резкое увеличение поглощения на резонансных частотах.

3. Управление и усиление плазмонного отклика

• Электрическое управление: Применение затворного напряжения (жидкий электролит, ионный гель, твердый диэлектрик) позволяет изменять μc​ в диапазоне >1 эВ, что соответствует сдвигу плазмонного резонанса на сотни волновых чисел в ИК-области.
• Химическое легирование: Адсорбция молекул-доноров или акцепторов обеспечивает статическое, но сильное смещение μc​.
• Гибридные структуры: Интеграция с плазмонными металлическими наноантеннами или резонаторами Фабри-Перо позволяет создавать сильные плазмон-плазмонные связи, эффекты Фано и усиливать локальные поля.

Заключение
Наноструктурированный графен превращает концепцию динамически управляемой плазмоники из теоретической модели в практическую технологическую платформу.