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Tesis:

SAW-driven Plasmonics and Acoustoelectric Transport in Graphene

  • Autor: IZQUIERDO LÓPEZ, Raúl

  • Título: SAW-driven Plasmonics and Acoustoelectric Transport in Graphene

  • Fecha: 2025

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION

  • Departamentos: INGENIERIA ELECTRONICA

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/88487/

  • Director/a 1º: PEDRÓS AYALA, Jorge
  • Director/a 2º: CALLE GÓMEZ, Fernando

  • Resumen: Graphene has attracted a lot of attention since its discovery in 2004 because of its unique electronic and optical properties. Moreover, being just one atom thick, it is very sensitive to effects occurring at the surface of the substrate hosting it. This thesis explores the role of surface acoustic waves (SAWs) in piezoelectric materials as an actuator to modulate dynamically the electronic and optical properties of graphene. In particular, the acoustoelectric effect caused by the piezoelectric field of the SAW, the emergence of a pseudo-Hall voltage due to gauge fields arising in graphene because of the strain field of the SAW, and the use of the surface deformation carried by the SAW as a virtual diffraction grating to couple far-field light into surface plasmon-phonon polaritons (SPPPs) have been addressed. Two-port SAW resonators operating in the GHz frequency range with graphene Hall bars placed in between the transducers have been fabricated in LiNbO3 substrates. These devices have been used to study the acoustoelectric transport in graphene via the measurement of the acoustoelectric voltage arising in the direction of SAW propagation and of the pseudo-Hall voltage, consequence of the strain-induced pseudo-magnetic field, appearing in the direction transverse to SAW propagation. Finally, the SAW-generation and graphene electrostatic doping capabilities of alternative thin-film LiNbO3 heterostructures, obtained by wafer bonding techniques, where the metallic bonding interlayer is used as a buried electrode, have been successfully evaluated with the objective of extending the studies on the conventional and unconventional acoustoelectric transport phenomena under different graphene doping conditions. A theoretical study on the role of a SAW as a dynamic diffraction grating for the coupling of mid-infrared (mid-IR) far-field light into graphene SPPPs has also been conducted. This study has been directed towards the design and modelling of a SAW-driven plasmonic biosensor. The designed biosensor consists of a graphene/h-BN/graphene van der Waals heterostructure on a piezoelectric AlN/Al/AlN substrate. In such a structure, the hybridization of the graphene plasmons with the optically active phonons of AlN and h-BN has been exploited to probe the fingerprinting region of organic compounds, whereas the buried Al electrode enables the field-effect gating of graphene with the top AlN layer as a gate dielectric, which permits to tune the SPPP frequency. A theoretical model based on coupled harmonic oscillators has been developed to quantify the interaction of the SPPP with the vibrational resonances of the analytes, even if this interaction is too faint to induce a Fano resonance. The combination of the designed biosensor and the coupled oscillators model has proven to allow fingerprinting ultrathin biolayers down to the monolayer limit, as shown for significant biological substances such as an A/G-IgG protein bilayer or a VGA peptide monolayer. Finally, a home-built mid-IR spectroscopy and mapping setup based on quantum cascade lasers (QCLs) and a photoconductive HgCdTe detector has been designed, assembled, and tested. ZnSe refractive optics have been used to focus the 4-millimeter diameter beam of the QCLs into a 15-micron-size spot on the surface of the sample. Moreover, a motorised stage has been included to not only record single spectra but also full spectral maps. A Python script has been developed to coordinate the different elements of the setup, allowing in-phase optical measurements with a lock-in amplifier. This setup will contribute to the development of novel graphene-based plasmonic devices such as the designed biosensor. RESUMEN El grafeno ha atraído una gran atención desde su descubrimiento en 2004 debido a sus singulares propiedades electrónicas y ópticas. Además, con un grosor de un solo átomo, es muy sensible a los efectos que tienen lugar en la superficie el sustrato sobre el que se encuentra. Esta tesis explora el papel de las ondas acústicas de superficie (SAWs) en materiales piezoeléctricos como actuadores para modular dinámicamente las propiedades electrónicas y ópticas del grafeno. En concreto, se ha tratado el efecto acustoeléctrico causado por el campo piezoeléctrico de la SAW, la aparición de un voltaje pseudo-Hall resultante de los campos gauge que aparecen en grafeno debidos al campo de deformación mecánica de la SAW y el uso de la corrugación de la superficie producida por la SAW como una red de difracción virtual para acoplar luz de campo lejano a polaritones de plasmón-fonón superficial (SPPPs). Se han fabricado resonadores SAW de dos puertos operando en el rango de los GHz, con barras Hall de grafeno situadas entre los transductores, sobre sustratos de LiNbO3. Estos dispositivos se han utilizado para estudiar el transporte acustoeléctrico en grafeno a través de la medida del voltaje acustoeléctrico que aparece en la dirección de propagación de la SAW, y del voltaje pseudo-Hall que aparece en la dirección transversal a la propagación de la SAW, debido al campo pseudo-magnético inducido por la deformación. Finalmente, se han evaluado con éxito la capacidad para generar SAWs y para el dopaje electrostático del grafeno en heteroestructuras alternativas basadas en capas finas de LiNbO3 obtenidas mediante técnicas de wafer bonding, todo ello con el objetivo de extender los estudios acerca del transporte acustoeléctrico convencional y no convencional con distintos niveles de dopaje del grafeno. Se ha realizado un estudio teórico del uso de una SAW como red de difracción dinámicas para el acoplo de luz de campo lejano a SPPPs en el infrarrojo medio (MIR). Este estudio se ha orientado hacia el diseño y modelado de un biosensor plasmónico activado por SAWs. El biosensor diseñado consiste en una heteroestructura de van der Waals de grafeno/h-BN/grafeno sobre un sustrato piezoeléctrico de AlN/Al/AlN. En dicha estructura, se ha aprovechado la hibridación de los plasmones del grafeno con los fonones ópticamente activos del AlN y del h-BN para acceder al rango donde se encuentra la huella infrarroja de los compuestos orgánicos, mientras que el electrodo de Al enterrado habilita el dopaje por efecto campo del grafeno, utilizando la capa superior de AlN como dieléctrico de puerta, lo que permite ajustar la frecuencia del SPPP. Se ha desarrollado un modelo teórico basado en osciladores armónicos acoplados para cuantificar la interacción del SPPP con las resonancias vibracionales de los analitos, incluso cuando esta interacción es demasiado débil para inducir una resonancia de Fano. La combinación del biosensor diseñado con el modelo de osciladores acoplados ha demostrado la posibilidad de identificar capas orgánicas ultrafinas hasta el límite de la monocapa, como se muestra en casos de sustancias biológicas significativas como una bicapa de proteínas A/G-IgG o una monocapa de péptido VGA. Finalmente, se ha diseñado, construido y probado un sistema de espectroscopía y mapeo en el MIR basado en láseres de cascada cuántica (QCLs) y un detector fotoconductivo de HgCdTe. Se han utilizado componentes ópticos refractivos de ZnSe para focalizar el haz de salida de los QCLs, de 4 milímetros de diámetro, en un spot de 15 micras en la superficie de la muestra. Además, se ha incluido un soporte motorizado que permite adquirir, además de espectros individuales, mapas espectrales. Se ha desarrollado un programa en Python para coordinar los distintos elementos del sistema, posibilitando medidas ópticas en fase mediante un amplificador lock-in. Este sistema contribuirá al desarrollo de novedosos dispositivos plasmónicos basados en grafeno como el biosensor diseñado.