Graphene Plasmonic Nanostructures for Terahertz Light Emission

用于太赫兹光发射的石墨烯等离子体纳米结构

基本信息

  • 批准号:
    2111160
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 40万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-06-15 至 2025-05-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Title: Terahertz Light Sources Based on Graphene Plasmonic NanostructuresNontechnical Abstract:Electromagnetic radiation with frequency in the 1-10 THz range is ideally suited for many demanding imaging and sensing applications. Unlike visible or near-infrared light, THz radiation can propagate through many common packaging materials and therefore provides visual access to concealed objects or defects. Furthermore, many chemicals of potential interest for sensing applications, including explosives and illicit drugs, feature distinctive absorption resonances at THz frequencies and therefore can be accurately detected by THz spectroscopy. Specific areas where these capabilities can play an enabling role include security screening, medical diagnostics, manufacturing quality control, and artwork conservation. However, the widespread adoption of these technologies has so far been hindered by the lack of suitable devices for the generation of THz light. Existing sources tend to be bulky and expensive, often requiring cryogenic cooling, have limited frequency tunability, and otherwise cannot provide sufficient THz output power for most applications.This project will develop a new device technology for THz light emission that can overcome these critical limitations, by leveraging recent advances in materials science and fundamental nanophotonics. The proposed devices can operate at room temperature with the required output power levels (several milliwatt) for typical THz applications, can be manufactured at low cost with highly miniaturized form factors, and are broadly tunable across the THz spectrum. As a result, these devices are promising for a transformative impact on a diverse set of technology sectors that can benefit from the unique capabilities of THz imaging and sensing. The proposed activities will also promote education through the training of graduate and undergraduate students in relevant areas of optoelectronics, nanophotonics, and materials science, and through related curriculum development efforts. Technical Abstract:The proposed devices are based on the recently developed family of two-dimensional materials and heterostructures – specifically single-layer graphene combined with the two-dimensional semiconductor molybdenum disulfide (MoS2). The underlying radiation mechanism involves the excitation of THz plasmon polaritons (collective oscillations of the electron gas) by current injection, and their outcoupling to free-space radiation in specially designed graphene nanostructures. The proposed work focuses on maximizing the efficiency of this radiation process, through a combination of electromagnetic design simulations, materials development efforts, and device fabrication and characterization activities. The plasmonic extraction efficiency will be optimized by combining the graphene nanostructures with additional optical elements (metallic THz antennas in an open-cavity configuration) designed to promote critical coupling to free-space radiation. At the same time, the plasmonic internal emission efficiency will be enhanced through the controlled injection of non-equilibrium carrier distributions in the plasmonic nanostructures using graphene/MoS2 Schottky junctions. The latter idea is analogous to the principle of operation of light emitting diodes (LEDs) used in solid-state lighting, but applied to an entirely new material system and spectral region. In addition to its potential technological impact on THz imaging and sensing, this project will also create new knowledge and new research opportunities in the area of plasmonics and light-matter interactions in two-dimensional materials.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
职务名称:基于石墨烯等离子体纳米结构的太赫兹光源非技术摘要:频率在1-10 THz范围内的电磁辐射非常适合许多要求苛刻的成像和传感应用。 与可见光或近红外光不同,太赫兹辐射可以通过许多常见的包装材料传播,因此可以看到隐藏的物体或缺陷。 此外,包括爆炸物和非法药物在内的许多潜在感兴趣的化学品在太赫兹频率下具有独特的吸收共振,因此可以通过太赫兹光谱准确检测。 这些能力可以发挥促进作用的具体领域包括安全检查、医疗诊断、制造质量控制和艺术品保护。 然而,到目前为止,这些技术的广泛采用受到缺乏合适的产生太赫兹光的设备的阻碍。 现有的太赫兹光源往往体积庞大、价格昂贵,通常需要低温冷却,频率可调谐性有限,无法为大多数应用提供足够的太赫兹输出功率。本项目将利用材料科学和基础纳米光子学的最新进展,开发一种新的太赫兹光发射器件技术,克服这些关键限制。 所提出的器件可以在室温下工作,具有典型THz应用所需的输出功率水平(几毫瓦),可以以低成本制造,具有高度小型化的形状因子,并且在THz频谱上可广泛调谐。 因此,这些设备有望对各种技术领域产生变革性影响,这些技术领域可以受益于THz成像和传感的独特能力。 拟议的活动还将通过培训光电子学、纳米光子学和材料科学相关领域的研究生和本科生,以及通过相关的课程开发工作,促进教育。技术摘要:所提出的器件是基于最近开发的二维材料和异质结构家族-特别是单层石墨烯与二维半导体二硫化钼(MoS 2)相结合。 潜在的辐射机制涉及通过电流注入激发THz等离子体激元(电子气的集体振荡),以及它们在特别设计的石墨烯纳米结构中向外耦合到自由空间辐射。 拟议的工作重点是最大限度地提高这种辐射过程的效率,通过电磁设计模拟,材料开发工作,设备制造和表征活动的组合。 等离子体激元提取效率将通过将石墨烯纳米结构与设计用于促进与自由空间辐射的临界耦合的附加光学元件(开放腔配置中的金属THz天线)相结合来优化。 同时,通过使用石墨烯/MoS 2肖特基结在等离子体纳米结构中控制非平衡载流子分布的注入,将提高等离子体内部发射效率。 后一种想法类似于固态照明中使用的发光二极管(LED)的工作原理,但适用于全新的材料系统和光谱区域。 除了对太赫兹成像和传感的潜在技术影响外,该项目还将在二维材料的等离子体和光物质相互作用领域创造新的知识和新的研究机会。该奖项反映了NSF的法定使命,并通过使用基金会的知识价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(2)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Graphene metasurfaces for terahertz wavefront shaping and light emission [Invited]
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  • DOI:
    10.1364/ome.473110
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.8
  • 作者:
    Li, Yuyu;Krisshnamurthi, Mathan Ramaswamy;Luo, Weijun;Swan, Anna K.;Ling, Xi;Paiella, Roberto
  • 通讯作者:
    Paiella, Roberto
Tunable terahertz metasurface platform based on CVD graphene plasmonics
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  • DOI:
    10.1364/oe.444573
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.8
  • 作者:
    Li, Yuyu;Paiella, Roberto
  • 通讯作者:
    Paiella, Roberto
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