Designing optical antennas as polariton launchers for nanophotonic devices

Autor(es)

Rafael Alves Mayer

• Tipo de documento: Dissertação de Mestrado
• Imprenta: Campinas, SP.
• Instituição: Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Instituto de Física Gleb Wataghin
• Data de defesa: 2021-02-26

Membros da banca

Raul de Oliveira Freitas; Odilon Divino Damasceno Couto Junior; Christiano José Santiago de Matos

• Orientador: Christoph Friedrich Deneke; Raul de Oliveira Freitas

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. (AU)

• Processo FAPESP: 19/08818-9 - Modulação de amplitude de poláritons por barreiras dielétricas bidimensionais sob a luz da nanoespectroscopia de infravermelho síncrotron
• Beneficiário: Rafael Alves Mayer
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Mestrado