Toward next-generation nanophotonic devices
Authors:   , Yu Renwen 
Published: October 2023

In this thesis, we aim to explore several novel designs of nanostructures based on graphene to realize various functionalities. We briefly introduce the fundamental concepts and theoretical models used in this thesis in Chapter 1. Following the macroscopic analytical method outlined in the first chapter, in Chapter 2 we show that simple simulation methods allow us to accurately describe the optical response of plasmonic nanoparticles, including retardation effects, without the requirement of large computational resources.

We then move to our proposed first type of device: optical modulators. We explore graphene sheets coupled to different kinds of optical resonators to enhance the light intensity at the graphene plane, and so also its absorption, which can be switched on/off and modulated through varying the level of doping, as explored in Chapter 3. Unity-order changes in the transmission and absorption of incident light are predicted upon electrical doping of graphene.

Heat deposition via light absorption can severely degrade the performance and limit the lifetime of nano-devices (e.g., aforementioned optical modulators), which makes the manipulation of nanoscale heat sources/flows become crucial. In Chapter 4, we exploit the extraordinary optical and thermal properties of graphene to show that ultrafast radiative heat transfer can take place between neighboring nanostructures facilitated by graphene plasmons, where photothermally induced effects on graphene plasmons are taken into account. Our findings reveal a new regime for the nanoscale thermal management, in which non-contact heat transfer becomes a leading mechanism of heat dissipation.

Apart from the damage caused by heat deposition, generated thermal energy can be in fact used as a tool for photodetection (e.g., silicon bolometers for infrared photodetection). In Chapter 5, we show that the excitation of a single plasmon in a graphene nanojunction produces profound modifications in its electrical properties through optical heating, which we then use to demonstrate an efficient mid-infrared photodetector working at room temperature based on theoretical predictions that are corroborated in an experimental collaboration with the group of Prof. Fengnian Xia in Yale University.

Finally, in Chapter 6, we show through microscopic quantum-mechanical simulations, introduced in the first chapter, that both the linear and nonlinear optical responses of graphene nanostructures can be dramatically altered by the presence of a single neighboring molecule that carries either an elementary charge or a small permanent dipole. Based on these results, we claim that nanographenes can serve as an efficient platform for detecting charge- or dipole-carrying molecules.

En esta tesis, pretendemos explorar varios diseños novedosos de nanoestructuras basadas en grafeno, con diversas funcionalidades. Tras presentar brevemente los conceptos fundamentales y los modelos teóricos utilizados en esta tesis en el Capítulo 1, en el Capítulo 2 mostramos la posibilidad de describir la respuesta de nanopartículas plasmónicas (incluyendo efectos de retardo) mediante métodos de simulación semi-analíticos sencillos y sin la necesidad de emplear grandes recursos computacionales. Posteriormente, empleamos estos modelos en el desarrollo de un primer tipo de dispositivo: moduladores ópticos. Añadiendo láminas de grafeno acopladas a diferentes tipos de resonadores ópticos, podemos mejorar la intensidad de la luz en el plano del grafeno, y por lo tanto también su nivel de absorción, la cual puede ser modulada a voluntad mediante el nivel de dopado electrostático del grafeno, como se explora en el Capítulo 3. Los modelos empleados predicen cambios en la transmisión del orden de la unidad, produciendo así la absorción total por parte del dispositivo de la luz incidente. En esta clase de dispositivos, así como en todos los dispositivos nanofotónicos, la producción de calor mediante la absorción de la luz puede degradar severamente su rendimiento, así como limitar su vida útil, lo que hace que la manipulación de la fuente y el flujo de calor en la nanoescala sea una componente crucial del desarrollo. En el Capítulo 4, empleamos las extraordinarias propiedades ópticas y térmicas del grafeno para mostrar que puede tener lugar una transferencia ultrarrápida de calor radiativo entre nanoestructuras vecinas, facilitada por los plasmones del grafeno, los cuales a su vez experimentan efectos fototérmicos asociados con este proceso de disipación. Nuestros hallazgos revelan un nuevo régimen para la energía térmica a nanoescala, en la que la transferencia de calor radiativa se convierte en el mecanismo principal de disipación de calor. Además de los daños causados por la deposición de calor, la energía térmica generada puede ser de hecho usada como herramienta para la fotodetección: tal es el caso, por ejemplo, de los bolómetros de silicona, empleados para la fotodetección por infrarrojos. En el Capítulo 5, mostramos que la excitación de un solo plasmón en una unión de grafeno altera radicalmente sus propiedades eléctricas debido al calentamiento óptico. Este hecho puede ser empleado para demostrar el funcionamiento eficaz de un fotodetector en la región media de los infrarrojos a temperatura ambiente, tanto a través de predicciones teóricas como su corroboración experimental (en colaboración con el grupo del Prof. Fengnian Xia de la Universidad de Yale). Finalmente, en el Capítulo 6, mostramos a través de simulaciones mecánico-cuánticas (introducidas en el Capítulo 1), que tanto la respuesta óptica lineal como la no lineal de las nanoestructuras de grafeno pueden ser dramáticamente alteradas por la presencia de una sola molécula vecina que transporte o bien una carga elemental o un dipolo permanente. En base a estos resultados, afirmamos que las estructuras de grafeno nanoscópicas podrían ser una plataforma eficiente para detectar moléculas portadoras de carga o dipolos.