Известия высших учебных заведений

Прикладная нелинейная динамика

ISSN 0869-6632 (Print)
ISSN 2542-1905 (Online)


Для цитирования:

Фатеев Д. В., Машинский К. В. Электродинамический метод расчета спектров поглощения плазмонов в прямоугольнике с двумерным электронным газом, возбужденных падающей электромагнитной волной // Известия вузов. ПНД. 2024. Т. 32, вып. 3. С. 347-356. DOI: 10.18500/0869-6632-003100, EDN: RRNDFW

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
Язык публикации: 
русский
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
530.182
EDN: 

Электродинамический метод расчета спектров поглощения плазмонов в прямоугольнике с двумерным электронным газом, возбужденных падающей электромагнитной волной

Авторы: 
Фатеев Денис Васильевич, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова РАН (СФ ИРЭ)
Машинский Константин Викторович, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова РАН (СФ ИРЭ)
Аннотация: 

Цель настоящего исследования — разработка электродинамического метода вычисления плазмонного спектра в трехмерной структуре с двумерным электронным газом при возбуждении падающей электромагнитной волной.

Методы. Разработанный метод основан на решении интегральных уравнений, сформированных относительно индуцированных токов в проводящих частях трехмерной структуры.

Результаты. Исследованы сходимость метода и время расчета. Выяснены условия сходимости расчета высших плазмонных резонансов в прямоугольной структуре с двумерным электронным газом. Исследовано нормальное падение произвольно поляризованной электромагнитной волны на прямоугольник с двумерным газом. Рассчитаны спектры сечений поглощения, экстинкции, прямого и обратного рассеяния падающей волны.

Заключение. Выяснено, что в прямоугольной структуре, содержащей двумерный электронный газ, спектр плазмонных резонансов модифицируется по сравнению с устоявшимися двумерными моделями постановки задачи, в которых структура предполагается бесконечной и однородной в одном из направлений. Установлено, что падающая волна наиболее эффективно возбуждает фундаментальные плазмонные моды. Плазмонные моды демонстрируют сильное накопление заряда на краях прямоугольника, что существенно влияет на резонансные частоты возбуждения плазмонных мод.

Благодарности: 
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, проект № 22-19-00611
Список источников: 
  1. Popov VV. Plasmon excitation and plasmonic detection of terahertz radiation in the gratinggate field-effect-transistor structures. Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 2011;32:1178–1191. DOI: 10.1007/s10762-011-9813-6.
  2. Meziani YM, Handa H, Knap W, Otsuji T, Sano E, Popov VV, Tsymbalov GM, Coquillat D, Teppe F. Room temperature terahertz emission from grating coupled two-dimensional plasmons. Applied Physics Letters. 2008;92(20):201108. DOI: 10.1063/1.2919097.
  3. Popov VV, Polischuk OV, Shur MS. Resonant excitation of plasma oscillations in a partially gated two-dimensional electron layer. Journal of Applied Physics. 2005;98(3):033510. DOI: 10.1063/ 1.1954890.
  4. Fateev DV, Mashinsky KV, Polischuk OV, Popov VV. Excitation of propagating plasmons in a periodic graphene structure by incident terahertz waves. Physical Review Applied. 2019;11(6): 064002. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.11.064002.
  5. Marem’yanin KV, Ermolaev DM, Fateev DV, Morozov SV, Maleev NA, Zemlyakov VE, Gavrilenko VI, Popov VV, Shapoval SYu. Wide-aperture detector of terahertz radiation based on GaAs/InGaAs transistor structure with large-area slit grating gate. Technical Physics Letters. 2010;36:365–368. DOI: 10.1134/S106378501004022X.
  6. Popov VV, Tsymbalov GM, Shur MS, Knap W. The resonant terahertz response of a slot diode with a two-dimensional electron channel. Semiconductors. 2005;39(1):142–146. DOI: 10.1134/ 1.1852665.
  7. Allen SJ, Jr, Stormer HL, Hwang JCM. Dimensional Resonance of the Two-Dimensional Electron Gas in Selectively Doped GaAs/AlGaAs Heterostructures. Phys. Rev. B. 1983;28:4875. DOI: 10.1103/PhysRevB.28.4875.
  8. Fetter AL. Magnetoplasmons in a Two-Dimensional Electron Fluid: Disk Geometry. Physical Review B. 1986;33(8):5221. DOI: 10.1103/PhysRevB.33.5221.
  9. Dahl C, Kotthaus JP, Nickel H, Schlapp W. Magnetoplasma Resonances in Two-Dimensional Electron Rings. Physical Review B. 1993;48:15480. DOI: 10.1103/PhysRevB.48.15480.
  10. Mikhailov S. Radiative Decay of Collective Excitations in an Array of Quantum Dots. Physical Review B. 1996;54(15):10335. DOI: 10.1103/PhysRevB.54.10335.
  11. Kovalskii VA , Gubarev SI, Kukushkin IV, Mikhailov SA, Smet JH, von Klitzing K, Wegscheider W. Microwave Response of Two-Dimensional Electron Rings. Physical Review B. 2006;73(19):195302. DOI: 10.1103/physrevb.73.195302.
  12. Rodionov DA, Zagorodnev IV. Oscillations in Radiative Damping of Plasma Resonances in a Gated Disk of a Two-Dimensional Electron Gas. Physical Review B. 2022;106(23):235431. DOI: 10.1103/PhysRevB.106.235431.
  13. Zarezin AM, Mylnikov D, Petrov AS , Svintsov D, Gusikhin PA, Kukushkin IV, Muravev VM. Plasmons in a Square of Two-Dimensional Electrons. Physical Review B. 2023;107(7):075414. DOI: 10.1103/PhysRevB.107.075414.
  14. Dawood A, Park SJ, Parker-Jervis R, Wood C, Li L, Linfield EH, Davies AG, Cunningham JE, Sydoruk O. Effect of Mesa Geometry on Low-Terahertz Frequency Range Plasmons in Two Dimensional Electron Systems. J. Phys. D: Appl. Phys. 2022;55:015103. DOI: 10.1088/1361- 6463/ac2401.
  15. Mylnikov D, Svintsov D. Limiting Capabilities of Two-Dimensional Plasmonics in Electromagnetic Wave Detection. Physical Review Appl. 2022;17(6):064055. DOI: 10.1103/PhysRevApplied. 17.064055.
  16. Nikitin AY, Alonso-Gonzalez P, Velez S, Mastel S, Centeno A, Pesquera A, Zurutuza A, Casanova F, Hueso LE, Koppens FHL, Hillenbrand R. Real-Space Mapping of Tailored Sheet and Edge Plasmons in Graphene Nanoresonators. Nat. Photonics. 2016;10:239. DOI: 10.1038/nphoton. 2016.44.
  17. Popov VV, Yermolaev DM, Maremyanin KV, Zemlyakov VE, Maleev NA, Gavrilenko VI, Bespalov VA, Yegorkin VI, Ustinov VM, Shapoval SYu. Detection of terahertz radiation by tightly concatenated InGaAs field-effect transistors integrated on a single chip. Applied Physics Letters. 2014;104(16):163508. DOI: 10.1063/1.4873540.
Поступила в редакцию: 
22.11.2023
Принята к публикации: 
30.01.2024
Опубликована онлайн: 
22.03.2024
Опубликована: 
31.05.2024