Exploring flatland nano-optics with graphene plasmons
Authors:   , Woessner Achim 
Published: October 2023

Plasmons are charge oscillations coupled to electromagnetic radiation. One of their most intriguing properties is their deep subwavelength confinement resulting in strongly enhanced light-matter interaction. Metal plasmons have received tremendous interest over the last decades and have sparked the development of a range of new fields such as plasmonic nanophotonic components, metamaterials, metasurfaces and more exotic research areas such as quantum plasmonics.
One of the main drawbacks of conventional metal plasmonics is that the plasmon lifetime is extremely short when the light is confined to deep subwavelength scales and that their wavelength is not tunable in situ.
This is where graphene, a one atom thick semimetal consisting of carbon atoms arranged in a two dimensional honeycomb lattice, comes into play. In graphene plasmons can be confined to extreme subwavelength scales while still having a long lifetime and their wavelength is tunable in situ. Graphene plasmonics is a relatively new research area but has already attracted a lot of attention. This is undoubtedly due to the fact that graphene plasmons are extremely versatile. They are a unique platform for exploring the limits of light matter interaction, two dimensional transformation optics, biosensing, and mid-infrared integrated optics.
The goal of this thesis is to explore the frontiers of graphene plasmonics both to understand the fundamental properties and limitations as well as to use the gained understanding to develop new concepts towards applications. We will mainly be using graphene encapsulated in hexagonal boron nitride (h-BN). This material has already shown that it is an excellent substrate for graphene as graphene fully encapsulated by h-BN at room temperature shows a mobility limited by the lattice vibrations of the graphene itself. Furthermore it has very intriguing optical properties as it is a natural hyperbolic material which we will explore in the second part of the thesis. As measurement apparatus for the studies presented here we mainly used scattering-type scanning near-field optical microscopy (s-SNOM) as well as a technique based on s-SNOM we developed called near-field photocurrent nanoscopy. These techniques provide great insight into the working mechanisms of graphene optoelectronics with a nanometer resolution over a broad frequency range from the mid-infrared to the terahertz.
This thesis is split into a general introduction chapter and two main parts with experimental results. In the beginning I will give an introduction to graphene and its opto-electronic properties, graphene devices and their fabrication. I will also introduce h-BN, a dielectric layered material commonly used as substrate for graphene (Chapter 1). Then in the first main part of the thesis I will introduce the background and fundamentals of graphene plasmons (Chapter 2). In the following I will then introduce an experiment where we explore the limitations of the graphene plasmon lifetime at room temperature (Chapter 3). I will then show am optical phase modulator which is capable of tuning the phase in situ from 0 to 2p with a footprint of only 350nm exploiting the unique capability of tuning the graphene plasmon wavelength (Chapter 4). In the second
part of the thesis I will give a background on photodetection with graphene (Chapter 5). I will then introduce a new measurement technique called infrared photocurrent nanoscopy (Chapter 6) and show how it can be used to study the optoelectronic properties of a variety of graphene devices in the infrared at the nanoscale (Chapter 7). Then I will show how graphene plasmons can be detected electrically using this technique (Chapter 8). Finally I will introduce a way of detecting phonon polaritons in h-BN electrically using graphene and show how this can be used to greatly enhance the photoresponse of graphene photodetectors in the mid-infrared (Cap 9)
Los plasmones son oscilaciones de carga eléctrica acopladas a la radiación electromagnética incidente. Una de sus propiedades más llamativas es su confinamiento, incluso menor que el orden de magnitud de longitud de onda incidente debido a su fuerte interacción entre materia y luz. Los plasmones de metal han despertado un gran interés en las últimas décadas y han motivado el desarrollo nuevas áreas de investigación. Uno de los principales inconvenientes de los plasmones metálicos convencionales es que su tiempo de vida (lifetime) es muy corto cuando la luz está confinada a escalas inferiores que la longitud de onda y además su longitud de onda no se puede cambiar de una manera dinámica. Aquí entra el grafeno, un semimetal de un átomo de grosor, que consiste en una red de átomos de carbono en dos dimensiones. En el grafeno los plasmones pueden confinarse a escalas mucho menores que la longitud de onda, además tienen un largo tiempo de vida y su longitud de onda se puede cambiar dinámicamente. La plasmónica en el grafeno es un área de investigación nueva, que ya ha atraído mucha atención debido a que los plasmones de grafeno son muy vers átiles. Son una plataforma única para explorar los límites de la interacción entre luz y materia, la bio-detección y la óptica integrada en el rango de infrarrojo medio. El objetivo de esta tesis es explorar las fronteras de la plasmónica con grafeno, tanto para comprender las propiedades y limitaciones fundamentales, como para desarrollar nuevos conceptos enfocados a aplicaciones. Utilizaremos principalmente grafeno encapsulado en nitruro de boro hexagonal (h-BN). Este material ya ha demostrado que es un substrato excelente para el grafeno, debido a que el grafeno totalmente encapsulado por h-BN a temperatura ambiente muestra una movilidad limitada sólo por las vibraciones de la red bidimensional del grafeno. Además el h-BN es un material hiperbólico natural. Como aparato de medición para los estudios presentados, utilizamos principalmente microscopía óptica de campo cercano (s-SNOM) así como una técnica basada en s-SNOM que desarrollamos llamada nanoscopía de fotocorriente de campo cercano. Estas técnicas proporcionan una gran visión de los mecanismos de funcionamiento de los plasmones de grafeno y optoelectrónica de grafeno con una resolución nanométrica en una amplia gama de frecuencias desde el infrarrojo medio hasta el rango de terahercios. Esta tesis se divide en un capítulo de introducción general y dos partes principales. Al comienzo se dará una introducción sobre el grafeno y sus propiedades opto-electrónicas, los dispositivos basados en grafeno, su fabricación y además se introducirá el nitruro de boro hexagonal (cap. 1). Luego, en la primera parte principal de la tesis, se presentará los antecedentes y los fundamentos de los plasmones de grafeno (cap. 2). En el siguiente capítulo se introducirá un experimento en el que exploraremos las limitaciones de la duración de tiempo de vida de los plasmones de grafeno a temperatura ambiente en el caso de grafeno encapsulado en h-BN (cap. 3). A continuación, se mostrará un modulador de fase que es capaz de modificar la fase luminosa de 0 a 2p con una marca de sólo 350nm (cap. 4). En la segunda parte de la tesis se explicarán las bases sobre la fotodetección con grafeno (cap. 5). A continuación, se introducirá una nueva técnica de medición llamada nanoscopía de fotocorriente infrarroja (cap. 6) y se mostrará cómo puede usarse para estudiar las propiedades optoelectrónicas de una variedad de dispositivos de grafeno en el infrarrojo a escala nanométrica (cap. 7). Luego se mostrará cómo los plasmones de grafeno pueden ser detectados eléctricamente usando esta técnica (cap. 8). Como capítulo final, se discutirá sobre una manera de detectar los fonones-polaritones en h-BN usando el grafeno y mostraremos cómo puede ser usado para mejorar en gran medida la fotorespuesta de los fotodetectores de grafeno en el infrarrojo medio (cap. 9).