[PPT] - Magnetoplasmons in graphene and topological insulator ribbon PowerPoint Presentation

SLIDE 1

Zhigang ¡Jiang ¡ School ¡of ¡Physics ¡ Georgia ¡Ins5tute ¡of ¡Technology ¡

Magnetoplasmons ¡in ¡graphene ¡ and ¡topological ¡insulator ¡ribbon ¡arrays ¡

SLIDE 2

OUTLINE: ¡

Introduc5on ¡to ¡graphene ¡and ¡graphene-‑based ¡

tunable ¡plasmonics ¡and ¡optoelectronics ¡ ¡

THz ¡near-‑field ¡imaging ¡of ¡surface ¡plasmon ¡

waves ¡in ¡graphene ¡micro-‑structures ¡ ¡

Dirac ¡plasmons ¡in ¡graphene ¡nanoribbons: ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡(1) ¡Upper-‑hybrid ¡mode ¡between ¡cyclotron ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡resonance ¡and ¡plasmon ¡resonance ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(2) ¡Peculiar ¡∝(1/WB) ¡scaling ¡behavior ¡ ¡

Magnetoplasmons ¡in ¡topological ¡insulators ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡(1) ¡Tunable ¡upper-‑hybrid ¡mode ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(2) ¡Effec5ve ¡mass, ¡m* ¡~ ¡0.23 ¡me ¡

SLIDE 3

Introduc1on: ¡Graphene ¡plasmonics ¡

light ¡ W ¡

W q W

plasmon

π λ π λ = = = 2 2

“size” ¡of ¡plasmon ¡

Why ¡graphene ¡plasmonics? ¡ ¡

Light ¡confinement ¡ λIR ¡/ ¡λplasmon ¡ Propaga1on ¡loss-‑length ¡ Tunability ¡ Ag/Si ¡ ~20 ¡ ~0.1 ¡λplasmon ¡ Limited ¡ Graphene ¡ ~200 ¡ ~10 ¡λplasmon ¡

M. ¡Jablan ¡et ¡al. ¡PRB ¡80, ¡245435 ¡(2009) ¡
J. ¡Christensen ¡et ¡al. ¡ACS ¡Nano ¡6, ¡431 ¡(2012) ¡

SLIDE 4

B. ¡Wunsch ¡et ¡al. ¡New ¡J. ¡of ¡Phys. ¡8, ¡318 ¡(2006) ¡

E.H. ¡Hwang ¡et ¡al. ¡PRB ¡80, ¡205405 ¡(2007) ¡

R. ¡Roldán ¡et ¡al. ¡Semicond. ¡Sci. ¡Technol. ¡25, ¡034005 ¡(2010) ¡

!p ≈ r 2e2EF ✏ q

when ¡

Plasmon ¡dispersion ¡in ¡graphene ¡

q < qF

q = π W ! " # $ % &

qF 2qF q

SLIDE 5

B. ¡Wunsch ¡et ¡al. ¡New ¡J. ¡of ¡Phys. ¡8, ¡318 ¡(2006) ¡

E.H. ¡Hwang ¡et ¡al. ¡PRB ¡80, ¡205405 ¡(2007) ¡

R. ¡Roldán ¡et ¡al. ¡Semicond. ¡Sci. ¡Technol. ¡25, ¡034005 ¡(2010) ¡

Approaching ¡

!p ≈ r 2e2EF ✏ q + v2

F q2

Plasmon ¡dispersion ¡in ¡graphene ¡

ω = vF q

qF 2qF q

SLIDE 6

L. ¡Ju ¡et ¡al. ¡Nat. ¡Nanotechnol. ¡6, ¡630 ¡(2011) ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(1) ¡tunability ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(2) ¡long ¡life5me ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(3) ¡confinement: ¡λIR ¡/ ¡λpl ¡~50 ¡

Tunable ¡plasmons ¡in ¡graphene ¡

SLIDE 7

Tunable ¡plasmons ¡in ¡graphene ¡

H. ¡Yan ¡et ¡al. ¡Nat. ¡Nanotechnol. ¡7, ¡330 ¡(2012) ¡

SLIDE 8

Tunable ¡plasmons ¡in ¡graphene ¡

H. ¡Yan ¡et ¡al. ¡Nano ¡Lef. ¡12, ¡3766 ¡(2012) ¡
I. ¡Crassee ¡et ¡al. ¡Nano ¡Lef. ¡12, ¡2470 ¡(2012) ¡
I. ¡Petković ¡et ¡al. ¡PRL ¡ ¡110, ¡016801 ¡(2013) ¡
N. ¡Kumada ¡et ¡al. ¡PRL ¡113, ¡266601 ¡(2014) ¡

SLIDE 9

Near-‑field ¡study ¡of ¡graphene ¡plasmons ¡

J. ¡Chen ¡et ¡al. ¡Nature ¡487, ¡77 ¡(2012) ¡
Z. ¡Fei ¡et ¡al. ¡Nature ¡487, ¡82 ¡(2012) ¡

@ ¡mid-‑IR ¡spectral ¡range ¡

SLIDE 10

Epitaxial ¡graphene ¡grown ¡on ¡SiC ¡

Epitaxial ¡graphene ¡

+ ¡

= ¡

C. ¡Berger ¡et ¡al. ¡JPCB ¡108, ¡19912 ¡(2004) ¡

W.A. ¡de ¡Heer ¡et ¡al. ¡PNAS ¡108, ¡16900 ¡(2011) ¡

Induc5on ¡ furnace ¡ SiC ¡substrate ¡ EF ¡~17 ¡meV ¡ ¡ ¡ ¡n ¡~1.9 ¡x ¡1010 ¡/cm2 ¡ μ ¡~50,000 ¡cm2/Vs ¡ vF ¡~1.02(3) ¡x ¡106 ¡m/s ¡ EF ¡> ¡200 ¡meV ¡ μ ¡~1,000 ¡cm2/Vs ¡

SLIDE 11

THz ¡near-‑field ¡imaging ¡

O. ¡Mitrofanov ¡et ¡al. ¡invited ¡paper ¡to ¡Solid ¡State ¡Commun. ¡(2015) ¡

SLIDE 12

THz ¡near-‑field ¡imaging ¡

O. ¡Mitrofanov ¡et ¡al. ¡invited ¡paper ¡to ¡Solid ¡State ¡Commun. ¡(2015) ¡
O. ¡Mitrofanov ¡et ¡al. ¡APL ¡103, ¡111105 ¡(2013) ¡

space ¡(µm)

E-‑field ¡ (x, ¡5me)

5me ¡(ps)

W=1µm

SLIDE 13

THz ¡near-‑field ¡imaging ¡

O. ¡Mitrofanov ¡et ¡al. ¡invited ¡paper ¡to ¡Solid ¡State ¡Commun. ¡(2015) ¡
O. ¡Mitrofanov ¡et ¡al. ¡APL ¡103, ¡111105 ¡(2013) ¡

W=1µm

Y. ¡Zhou ¡et ¡al. ¡APL ¡104, ¡051106 ¡(2014) ¡

nSiC ≈ 3

SLIDE 14

Charge ¡neutral ¡top ¡layers ¡on ¡C-‑face ¡

W.A. ¡de ¡Heer ¡et ¡al. ¡PNAS ¡108, ¡16900 ¡(2011) ¡

EF ¡~17 ¡meV ¡ ¡ ¡ ¡n ¡~1.9 ¡x ¡1010 ¡/cm2 ¡ μ ¡~50,000 ¡cm2/Vs ¡ vF ¡~1.02(3) ¡x ¡106 ¡m/s ¡

M.L. ¡Sadowski ¡et ¡al. ¡PRL ¡97, ¡266405 ¡(2006) ¡ A.M. ¡Witowski ¡et ¡al. ¡PRB ¡82, ¡165305 ¡(2010) ¡

SLIDE 15

Charge ¡neutral ¡top ¡layers ¡on ¡C-‑face ¡

W.A. ¡de ¡Heer ¡et ¡al. ¡PNAS ¡108, ¡16900 ¡(2011) ¡

EF ¡~17 ¡meV ¡ ¡ ¡ ¡n ¡~1.9 ¡x ¡1010 ¡/cm2 ¡ μ ¡~50,000 ¡cm2/Vs ¡ vF ¡~1.02(3) ¡x ¡106 ¡m/s ¡

M.L. ¡Sadowski ¡et ¡al. ¡PRL ¡97, ¡266405 ¡(2006) ¡ A.M. ¡Witowski ¡et ¡al. ¡PRB ¡82, ¡165305 ¡(2010) ¡

SLIDE 16

Experimental ¡setup ¡

SLIDE 17

Graphene ¡nanoribbons ¡

SLIDE 18

Plasmons ¡in ¡conven1onal ¡2D ¡systems ¡

S.J. ¡Allen ¡et ¡al. ¡PRB ¡28, ¡4875 ¡(1983) ¡

4 ¡µm ¡

Plasmons ¡in ¡disks ¡

2a

SLIDE 19

Plasmons ¡in ¡doped ¡graphene ¡disks ¡

H. ¡Yan ¡et ¡al. ¡Nano ¡Lef. ¡12, ¡3766 ¡(2012) ¡
I. ¡Crassee ¡et ¡al. ¡Nano ¡Lef. ¡12, ¡2470 ¡(2012) ¡

Plasmons ¡in ¡graphene ¡disks ¡

SLIDE 20

Heavily ¡doped ¡graphene ¡in ¡classical ¡limit: ¡ ¡Cyclotron ¡resonance ¡frequency ¡(ωc) ¡is ¡linear-‑in-‑B-‑field ¡

H. ¡Yan ¡et ¡al. ¡Nano ¡Lef. ¡12, ¡3766 ¡(2012) ¡
I. ¡Crassee ¡et ¡al. ¡Nano ¡Lef. ¡12, ¡2470 ¡(2012) ¡