Поляризационно-зависимое распространение света в $$\textrm{WTe}

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 13169 (2023) Цитировать эту статью

317 Доступов

Подробности о метриках

$\textrm{WTe}_2$ — один из интересных и выдающихся полуметаллических элементов TMDC, который привлек огромное внимание для управления распространением света из-за присущей ему оптической анизотропии и гиперболических характеристик в инфракрасном диапазоне частот. Исследована зависимость коэффициентов отражения и пропускания структур с одинарной и двойной $\textrm{WTe}_2$ тонкой пленкой от частоты и угла поляризации падающей волны. Мы обнаруживаем богатое поведение оптического отклика этих структур из-за их анизотропных тензоров диэлектрической проницаемости. Кроме того, мы анализируем состояние поляризации прошедших и отраженных волн через эти структуры. Мы демонстрируем, что эти структуры обеспечивают возможность достижения желаемого вращения поляризации исходящих волн путем настройки частоты и угла поляризации падающей волны относительно главных осей тонкой пленки $\textrm{WTe}_2$. В частности, мы выясняем существенную связь оптического отклика и вращения поляризации двойной тонкой пленочной структуры с углом закручивания в плоскости $\textrm{WTe}_2$ тонких пленок. Мы объясняем, что эта структура позволяет полностью контролировать вращение поляризации исходящих волн путем регулирования угла закручивания тонких пленок. Предложенная структура может быть использована в качестве эффективного светового манипулятора с целью применения в средствах связи, визуализации и обработки информации.

В последнее время дихалькогениды переходных металлов (TMDC) привлекли значительное внимание в исследованиях материалов из-за их выдающихся свойств в спинтронике и твисттронике1, электронных и перестраиваемых оптических характеристиках2,3. TMDC обозначаются формулой $\textrm{MX}_2$, где M указывает на переходный металл, такой как молибден или вольфрам $(M = Mo, W)$, который связан с двумя атомами X, соответствующими халькогенам, таким как как S, Se или Te. Объемный ТМДК представляет собой слоистый материал со слабыми силами Ван-дер-Ваальса в качестве доминирующей силы между слоями, что позволяет получить тонкую пленку или один ее слой путем отслаивания. Количество слоев и расположение атомов в соседних слоях образца ТМДК определяют его электронные и оптические свойства. TMDC обладают множеством политипических структур, а именно 2H, 1T, $1T'$ и $T_d$, которые различаются расположением атомов. Фаза 2H с треугольной решеткой представляет собой полупроводник с прямой (непрямой) запрещенной зоной в монослойной (объемной) форме. Тогда как в фазе 1Т атомы халькогенида располагаются шестиугольником вокруг атома металла. Из-за нестабильности фазы 1T в свободной форме структура склонна к спонтанному искажению решетки за счет димеризации атомов переходного металла вдоль одного из направлений решетки, что приводит к анизотропным электронным свойствам4. Фазы $1T'$ и $T_d$ структурно подобны искаженной фазе 1T, и различие в зеркальной структуре между ними можно обнаружить только в многослойных пленках. Монослой $\textrm{WTe}_2$ в фазе $1T'$ является единственным среди TMDC, который устанавливает фазу квантового спинового изолятора Холла, что было доказано адекватными экспериментальными данными посредством измерения квантованной краевой проводимости5, и крайние состояния6,7. В частности, фаза $T_d$ с нарушенной инверсионной симметрией привела к своеобразным явлениям. Например, мультислой $\textrm{T}_{\textrm{d}}$–$\textrm{WTe}_2$ представляет собой топологический полуметалл Вейля типа II с наклоненными конусами Вейля8: представляющие собой сверхпроводимость, вызванную давлением9, эффекты аномального и гигантского магнитосопротивления10, чрезвычайно высокую подвижность11 и низкоэнергетическое оптическое поглощение12.

Гиперболический материал в плоскости обладает сильно анизотропным тензором диэлектрической проницаемости, так что действительные части двух главных компонент его тензора диэлектрической проницаемости в плоскости имеют противоположные знаки13. Это означает, что в одном направлении они ведут себя как диэлектрик с положительной диэлектрической проницаемостью, а в другом направлении проявляют металлические свойства с отрицательной диэлектрической проницаемостью. Эти материалы становятся более примечательными, если принять во внимание их возможность настройки с помощью химического легирования, стробирования и деформации14 или температуры15. Было предсказано, что некоторые из анизотропных 2D-материалов содержат гиперболические поверхностные плазмонные поляритоны, но это еще не подтверждено экспериментально16. Недавно сообщалось о тонкой пленке $\textrm{T}_{\textrm{d}}$–$\textrm{WTe}_2$ как полуметалле с плоскостной анизотропией из-за взаимодействия ее внутризонных и межзонные электронные переходы8,17,18,19. Другими словами, как отклик свободных носителей, так и связанные межзонные переходы характеризуют величину анизотропии, которая приводит к внутренней перестраиваемости. Действительно, гиперболические плазмоны были реализованы в расслоенных тонких пленках $\mathrm {WTe_2}$ в определенном диапазоне частот (429–632 $\hbox {cm}^{-1}$). Более того, гиперболические свойства могут быть изменены температурой20. Показано, что повышение температуры изменяет гиперболический режим $\textrm{T}_{\textrm{d}}$–$\textrm{WTe}_2$ и его плоскостную анизотропию оптического отклика14. . Это предполагает, что $\textrm{T}_{\textrm{d}}$–$\textrm{WTe}_2$ является идеальным и многообещающим гиперболическим материалом для приложений планарной оптоэлектроники и нанофотоники.