미국, 일본, 독일, 네덜란드 연구진은 육방정계 질화붕소(hexagonal boron nitride, hBN) 위에 단일층 그래핀으로 구성된 반데르발스 헤테로구조에서 최초로 “쌍곡선 폴라리톤(hyperbolic polariton)”을 제어하는데 성공했다. 이번 연구진은 그래핀/hBN "메타구조" 속에 하이브리드 쌍곡선 플라즈몬-포논 폴라리톤을 생성하기 위해서 그래핀 속의 표면 플라즈몬 폴라리톤과 hBN 속의 쌍곡선 포논 폴라리톤을 활용했다. 이 연구는 첨단 포토닉스 장치를 개발하는데 중요한 역할을 할 것이다.
그래핀, hBN, 이황화몰리브덴(molybdenum disulphide)과 같은 2차원 층상 재료들은 반데르발스 힘으로 서로 약하게 결합된 원자 평면으로 만들어진다. 그들은 3차원 상대물에 비해서 매우 독특한 전기적 및 기계적 특성들을 가지는데, 이것은 그들이 새로운 장치 분야에 유용하게 적용될 수 있다는 것을 의미한다. hBN은 뛰어난 기계적 및 열적 특성을 가진다. 실제로, 그래핀과 hBN이 매우 유사한 격자 상수를 가진다는 사실 때문에 이 재료가 그래핀을 위한 우수한 기판이라는 것이 이미 증명되었다. 또한 이것은 전자기 스펙트럼의 기술적으로 중요한 적외선 대역에서 강한 포논 공명을 가진다. 이것은 광전자장치에 적용하는데 이상적이다.
hBN은 재료 속의 유전 상수가 기저면(x-y) 속에서 동일하지만 정상적인 면(y)에서 반대 신호를 가지기 때문에 자연적으로 쌍곡선을 가진다. 이런 특성 때문에, 이번 연구진은 hBN 슬래브가 쌍곡선 포논 폴라리톤이 전파될 수 있는 도파관으로서 활용될 수 있다는 것을 확인했다. 포논은 양자화된 음파이고, 일부 과학자들은 적절한 매체가 발견되면 그들이 나노장치 속의 정보를 전달하는데 사용될 수 있다고 믿고 있다. 포논은 레이저광을 사용해서 나노크기 구조 속에 생성될 수 있고, 생성된 포논의 파장은 전파되는 나노구조의 주기성에 의존한다. hBN의 층 두께는 그래핀과 같이 원자 크기로 제어될 수 있기 때문에 이 재료는 이런 측면에서 특히 흥미롭다.
작년에, 캘리포니아 대학의 샌디에이고 캠퍼스(University of California, San Diego)의 Dmitri Basov가 이끄는 연구진은 포논 폴라리톤 파장이 hBN 속의 층 수를 변화시킴으로써 특별한 파장과 강도에서 변환될 수 있다는 것을 발견했다. 그러나 동역학적 특성들이 hBN의 결정 격자 구조에 달려있기 때문에 포논 폴라리톤을 제어하기가 어렵다.
현재, 동일한 연구진은 hBN 위에 그래핀 단일층을 반데르발스 헤테로구조로 만듦으로써 이런 포논 폴라리톤을 제어할 수 있다는 것을 증명했다. 그래핀 속의 표면 플라즈몬 폴라리톤은 쌍곡선 플라즈몬-포논 폴라리톤을 가진 그래핀/hBN 헤테로구조를 만들기 위해서 hBN 속에 쌍곡선 포논 폴라리톤과 혼성 결합을 가진다. “이런 반데르발스 메타구조의 경우에, 폴라리톤이 이것의 구성요소들과 결합하는 장점을 가진다”고 Siyuan Dai가 말했다. “우리는 hBN 슬래브의 두께를 변화시킴으로써 hBN 속의 포논 플라라톤과 정전기 게이트(electrostatic gating)로 그래핀 속의 플라즈몬을 제어할 수 있었다. 그래서 hBN 위에 그래핀이 적층된 반데르발스 메타구조의 경우에, 우리는 정전기 게이트와 샘플 두께를 변화시킴으로써 하이브리드 폴라리톤을 조절할 수 있었다"고 Dai가 설명했다.
이런 혼성 폴라리톤은 그들의 비-혼성 상대물보다 훨씬 더 다양한 분야에 적용될 수 있을 것이다. 이것은 광학, 음 굴절률(negative refraction index) 재료, 자발적으로 광을 방출하는 분야에 적용될 수 있다. 이 메타구조는 다음과 같은 새로운 분야에 사용될 수 있다: ”변환(transformation)“ 광학/플라즈몬.
“hBN 속의 포논 폴라리톤은 샘플 슬래브 속의 격자 진동에서 발생되고 이것의 두께를 변경시킴으로써 변화될 수 있기 때문에 ‘강성(rigid)’을 가진다”고 Dai가 말했다. “우리는 그래핀 속의 플라즈몬과 hBN 속의 포논을 결합시킴으로써 hBN 속의 포논 폴라리톤을 변화시켰다. 플라즈몬과 포논이 서로 반발할 때, 폴라리톤 분산은 변화되고, 따라서 폴라리톤 파장과 이것의 강도가 변화된다. 그래핀의 플라즈몬 특성들이 전기적으로 변화될 수 있기 때문에 하이브리드 폴라리톤이 형성될 수 있다”고 Dai가 언급했다. 이런 변조는 Goos-Hänchen 효과이라고 불리고, 그래핀/hBN 계면에서 반사될 때 측면 변화를 가지는 폴라리톤을 설명할 수 있다. 이 연구는 저널 Nature Nanotechnology에 “Graphene on hexagonal boron nitride as a tunable hyperbolic metamaterial”이라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/nnano.2015.131).
그림. 그래핀/h-BN 메타 구조 속의 하이브리드 쌍곡선 반응.
Researchers have succeeded in controlling "hyperbolic polaritons" for the first time – in a van der Waals heterostructure made of monolayer graphene on hexagonal boron nitride (hBN). They were able to do this by making use of the surface plasmon polaritons in graphene and the hyperbolic phonon polaritons in hBN to create hybrid hyperbolic plasmon-phonon polaritons in graphene/hBN "metastructures". The work could be important for developing advanced photonics devices, including those made from subdiffractional optical and negative refraction index materials.
2D layered materials such as graphene (a planar sheet of carbon atoms arranged in a honeycomb lattice), hBN (also known as "white graphene") and molybdenum disulphide are made up of individual atomic planes weakly held together by van der Waals (vdW) forces. They have unique electronic and mechanical properties that are very different from their 3D counterparts, which means that they might find a use in a host of novel device applications.
hBN, like graphene, has excellent mechanical and thermal properties. Indeed, it has already proved itself to be a good substrate for graphene thanks to the fact that the two materials have very similar lattice constants. It also boasts particularly strong phonon resonances that span a broad region of the technologically important IR band of the electromagnetic spectrum, which means that it could be ideal for use in optoelectronics devices.
Naturally hyperbolic
hBN is also naturally hyperbolic because the dielectric constants in the material are the same in the basal (x-y) plane but have opposite signs in the normal (y) plane and thus take the form of a hyperbola, explain the researchers. Thanks to this property, we can say that the hBN slabs act as waveguides for propagating hyperbolic phonon polaritons (collective resonant modes that are created by coupling photons with optical phonons in polar dielectric crystals).
Phonons are quantized sound waves and some physicists believe that they could be used to transmit information in nanodevices if a suitable medium were to be found. They can be generated in nanoscale structures using laser light, and the wavelength of the phonons produced depends on the periodicity of the nanostructure in which they propagate. hBN is especially interesting in this respect because its layer thickness can be controlled on the atomic scale – just like graphene's.
Controlling phonon polaritons in a vdW heterostructure
Last year, researchers led by
Dmitri Basov of the University of California,San Diego, in the US found that phonon polariton waves (which have a much shorter wavelength than light waves) can be "tuned" to particular wavelengths and amplitudes by varying the number of layers in hBN. However, these phonon polaritons are difficult to control, mainly because their electrodynamic properties depend on the crystal lattice structure of hBN.
Now, the same team has shown that they can control these phonon polaritons by making a vdW heterostructure from monolayers of graphene on hBN. The surface plasmon polaritons in graphene are in fact "hybridized" with the hyperbolic phonon polaritons in hBN to make a graphene/hBN heterostructure that contains hyperbolic plasmon-phonon polaritons.
vdW "metastructures"
"In these vdW 'metastructures', the polariton now possesses the combined virtues of each of its components," explains team member and first author of the study,
Siyuan Dai. "We can control the plasmons in graphene by electrostatic gating and the phonon polaritons in hBN by varying the hBN slab thickness. So, in the vdW metastructures of graphene on hBN, we can tune the hybrid polaritons by both electrostatic gating and varying the sample thickness."
These hybrid polaritons could find a much wider range of applications than their non-hybridized counterparts, he tells nanotechweb.org. Such applications include subdiffractional optics, negative refraction index materials, and those that spontaneously emit light. The metastructures described in the team's paper might also be used in a new field: "transformation" optics/plasmonics.
The Goos-Hänchen effect
"The phonon polaritons in hBN on its own are 'rigid', since they come from the lattice vibrations in the sample slab and can only be changed by varying its thickness," says Dai. "We tune the phonon polaritons in hBN by coupling the plasmons in graphene and the phonons in hBN. As shown in the image above, when the plasmons and phonons repel each other, the polariton dispersion shifts and thus changes the polariton wavelength and its intensity. And since the plasmon properties of graphene can be tuned electronically, so can the hybrid polaritons'."
This modulation has a name – it is called the Goos-Hänchen effect – and describes the polaritons (propagating as guided waves) undergoing a lateral shift when reflected at the graphene/hBN interface, he adds.
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