Efeito de cavidade de fônons-poláritons em heteroestruturas bidimensionais de hBN e G-hBN

Abstract

Os fenômenos ópticos de cristais polares de van der Waals, em escala nanométrica, ocorrem majoritariamente via formação de poláritons, que são quasi-partículas originárias do acoplamento entre fótons e ressonâncias fundamentais da matéria. Existem diferentes tipos de poláritons, classificados de acordo com a interação luz-matéria: plasmons-poláritons, éxcitons-poláritons, mágnons-poláritons e fônons-poláritons. O presente trabalho concentra-se no estudo de fônons-poláritons, confinados em cristais de espessura nanométrica de nitreto de boro hexagonal (hBN), que possui ressonâncias fonônicas no infravermelho médio. O hBN é um o cristal hiperbólico que suporta fônon-poláritons hiperbólicos (HP² de hyperbolic phonon-polaritons). A natureza hiperbólica do hBN permite o confinamento de luz na nanoescala por meio de modos HP² com comprimento de onda subdrifracionais. Esses modos são evanescentes, ou seja, não se propagam no espaço livre. No entanto, são modos confinados no volume do cristal onde se propagam com alto momentum. Desta maneira, apenas técnicas de campo óptico próximo são capazes de detectá-los, como a nano-espectroscopia de infravermelho sincrotron (Synchrotron Infrared Nano Spectroscopy - SINS) utilizada neste trabalho. Desta maneira, investigamos a resposta polaritônica de cristais de hBN depositados sobre superfícies planas de ouro (Au). Demonstramos que é possível descrever as ondas HP² como modos eletromagnéticos emitidos por dipolos Hertzianos. Este modelo resultou em uma publicação na revista Nanoscale. Estudamos também a influência de diferentes tipos de substratos sobre a propagação das ondas HP2: (i) substratos de anisotropia planar formados por trilhos de Au espaçados por trincheiras de ar e (ii) substratos de anisotrpia fora-do-plano, formados por filmes de dióxido de silício depositados sobre Au. No primeiro caso, verificou-se a formação de microcavidades de HP² devido ao descasamento de momento nas interfaces das transições Au-ar. No segundo caso, vimos modulação de momentum e velocidade de grupo dos HP² em função da espessura do filme de SiO2, estudo o qual foi publicado na revista ACS Photonics. Por fim apresentaremos os resultados relacionados com as heteroestruturas de G-hBN/Au. Entendemos que esta dissertação apresenta resultados pioneiros na área de polaritônica de hBN.

Optical phenomena of polar van der Waals crystals, on the nanoscale, occur primarily via polaritons, which are quasi-particles originated from the coupling between photons and fundamental resonances of matter. There are different Tipos of polaritons, named according to the presented light-matter interaction: plasmon-polaritons, exciton-polaritons, magnon-polaritons and phonon-polaritons. In this work, we study phonons-polaritons confined in two-dimensional crystals of hexagonal boron nitride (hBN). This crystal pertains to the class of hyperbolic materials, thus, supporting hyperbolic phonon-polaritons (HP²) of subdiffractional wavelength. Hyperbolic polaritons are evanescent modes meaning they are confined to the crystal volume and do not propagate in the free space. Therefore, only near field techniques are able to detect the HP2 waves as the Synchrotron Infrared Nano Spectroscopy (SINS) utilized in this work. By means of SINS, we investigate first the hBN polaritonic response on gold (Au) flat substrates by proposing the Hertzian dipole antenna (HDA) modelling to characterize the HP2 waves. We have recently published this novel approach in journal Nanoscale. Additionally, we study the influence of different type of substrates on HP² waves propagation: (i) in-plane anisotropic substrate composed by Au stripes spaced by Air gaps (Au-Air) and (ii) out-of-plane anisotropic substrate composed by silicon dioxide thin films deposited via sputtering on Au (Au/SiO2). In the first case, we demonstrate the formation of HP² microcavities due to the momentum mismatch at the Au-Air substrate transitions. In the second case, we show modulation of wavelength and group velocity of HP² modes as function of the SiO2 thickness. This work presents pioneer results for the polaritonic area in mid-infrared of two-dimensional crystals