Modelagem de nanoantenas ópticas como lançadores polaritônicos otimizados para dispositivos nanofotônicos

Autor: Mayer, Rafael Alves, 1994
Přispěvatelé: Freitas, Raul de Oliveira, Deneke, Christoph Friedrich, 1974, Couto Junior, Odilon Divino Damasceno, Matos, Christiano José Santiago de, Universidade Estadual de Campinas. Instituto de Física Gleb Wataghin, Programa de Pós-Graduação em Física, UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Rok vydání: 2021
Předmět:
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
instacron:UNICAMP
Popis: Orientadores: Raul de Oliveira Freitas, Christoph Friedrich Deneke Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin Resumo: Materiais bidimensionais (2Ds) representam um dos maiores avanços na ciência e engenharia de materiais na última década. Atualmente, é possível encontrar opções específicas de 2Ds para cada aplicação tecnológica, dado que um vasto catálogo destes abrange semicondutores ultrafinos com variados "band gaps" (Dicalcogenetos de Metais de Transição), semimetais atômicos (grafeno) e isolantes planos (Nitreto de Boro hexagonal - hBN), dentre outros. No campo da nanofotônica, os 2Ds têm sido amplamente explorados por apresentar modos híbridos de luz e ressonância da matéria que podem ser confinados além do limite da difração. Tais modos, denominados de poláritons, podem ser utilizados em heteroestruturas 2Ds viabilizando a construção de, por exemplo, moduladores ópticos altamente compactos e fotodetectores em faixas energéticas que vão do infravermelho médio ao Terahertz. Para se criar tais dispositivos, estudos atuais baseiam-se em simulações numéricas que, embora sejam extremamente acuradas, pressupõem fontes de poláritons pouco práticas do ponto de vista de fabricação. Uma estratégia de abordagem deste problema é o uso de antenas ópticas, estruturas que convertem luz em campo próximo com alta eficiência, como fontes de poláritons em 2Ds. Nessa dissertação usamos o método de simulação da diferença finita no domínio do tempo (FDTD) para investigar o lançamento de fônon poláritons hiperbólicos (HPhP) em hBN por antenas ópticas (AO). Aproveitando conceitos da teoria de antenas de radiofrequência, como regiões de campo, padrão de radiação e diretividade, caracterizamos AOs do ponto de vista do lançamento de HPhP. Demonstramos também um lançamento altamente direcional de HPhP causado por modos plasmônicos escuros em AOs. Adicionalmente, investigamos as propriedades nano-ópticas de materiais 2D em diversas configurações. Entre elas, estudamos a aceleração de HPhP em hBN, e modos de cavidade de Fabry-Perot de HPhPs em nano-fitas de MoO3 e SnO2. Utilizamos também dados experimentais de microscopia óptica de campo próximo do tipo espalhamento (s-SNOM) no infravermelho para confrontar os resultados de simulações. Abstract: Two-dimensional materials (2Ds) represent one of the greatest advances in materials science and engineering in the last decade. Currently, it is possible to find specific 2D options for each technological application, given that a vast catalog of these materials comprises ultrathin semiconductors with various "band gaps" (transition metal dichalcogenides), atomic semimetals (graphene), and flat insulators (hexagonal boron nitride) - hBN), among others. In the field of nanophotonics, 2Ds have been widely explored as they present hybrid modes of light and matter resonance that can be confined beyond the diffraction limit. Such modes, called polaritons, can be used in 2D heterostructures enabling the construction of, for example, highly compact optical modulators and photodetectors for mid-infrared to Terahertz ranges. To create such devices, current studies are based on numerical simulations that, despite their accuracy, they assume polariton sources that are impractical from the construction point of view. A strategy to address this problem is the use of optical antennas (OA), structures that convert light in the near field with high efficiency, as sources of polaritons in 2Ds. In this dissertation, we use the finite difference time domain (FDTD) simulation method to investigate the launch of HPhP in hBN by OA. Borrowing concepts from the theory of radio frequency antennas, such as field regions, radiation pattern, and directivity, we characterize the HPhP launching properties of OAs. We also demonstrate a highly directional launching of polaritons caused by dark plasmonic modes in OAs. Moreover, we investigate the nano-optical properties of 2D materials in different configurations. Among them, we study the acceleration of hyperbolic phonon polarities (HPhP) in hBN and Fabry-Perot cavity modes of HPhPs in MoO3 and SnO2 nanobelts. We additionally utilize experimental data from near-field scattered optical microscopy (s-SNOM) in the infrared to compare with simulation results. Mestrado Física Aplicada Mestre em Física CNPQ 131550/2019-5 FAPESP 2019/08818-9
Databáze: OpenAIRE
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