Second harmonic generation in multilayer graphene induced by direct electric current

Optical second harmonic generation (SHG) is studied from multilayer graphene films in the presence of DC electric current flowing in the sample plane. Graphene layers are manufactured by chemical vapour deposition (CVD) technique and deposited on an oxidised Si(001) substrate. SHG intensity from graphene layer is found to be negligible in the absence of the DC current, while it increases dramatically with the application of the electric current. The current-induced change of the SHG intensity rises linearly with the current amplitude and changes its sign under the reversal of the current direction to the opposite. The observed effect is explained in terms of the interference of second harmonic radiation reflected from the Si surface and that induced by the DC current in multilayer graphene

Dispositifs hybrides graphène-cristaux photoniques pour le contrôle temporel et spatial de la lumière

La croissance continue de la complexité des systèmes rend inévitable le développement de procédés technologiques pour lesquels différents types de matériaux sont intégrés de manière hétérogène dans le but de réaliser une palette de fonctionnalités, tout en miniaturisant la taille des dispositifs et en abaissant les coûts de fabrication. Cela est particulièrement vrai dans le domaine de la Photonique, pour laquelle ces impératifs peuvent être atteints selon les lignes résumées ci-après : -Miniaturisation photonique, dont la principale motivation réside dans la nécessité d’assurer un faible budget thermique, ainsi qu’une bonne compatibilité topologique avec les circuits microélectroniques, tout en bénéficiant du contrôle de l’interaction lumière-matière offert par les microstructures photoniques. - Intégration photonique hétérogène active/passive, combinant les matériaux actifs (émission de lumière, caractéristiques non-linéaires) les plus efficaces avec les matériaux passifs les mieux adaptés (conduction et confinement de la lumière), en vue de tirer le meilleur parti de chacun. Ce travail de thèse est consacré au développement de nouvelles approches destinées à satisfaire les impératifs évoqués précédemment, l’objectif étant la production de nouvelles classes de dispositifs photoniques associant les matériaux silicium et graphène, exploitant les caractéristiques non-linéaires uniques de ce dernier (absorption saturable ultrarapide et indépendante de la longueur d’onde) et les remarquables capacités du premier pour la fabrication de structures photoniques miniaturisées permettant un fort confinement de la lumière en utilisant les procédés de fabrication avancés et bas coût de la microélectronique silicium. Concernant la miniaturisation photonique, il est proposé de mettre en oeuvre une stratégie de confinement de type diffractif à base de structures périodiques à fort contraste d’indice pour le contrôle spatio-temporel de la trajectoire des photons. 3 Cette stratégie, au cœur des récents développements de la Micro-Nano-Photonique, est usuellement répertoriée sous la nomination de l’approche « Cristal Photonique ». Selon cette approche le matériau silicium a été utilisé en raison de ses remarquables caractéristiques photoniques : son indice optique élevé (autour de 3,5) en fait un excellent candidat pour la réalisation de cristaux photoniques ; cela s’est avéré particulièrement vrai dans la configuration dite membrane, dans laquelle un cristal photonique 1D est formé dans une couche mince de silicium sur isolant, en l’occurrence la silice (SOI). Il a été démontré, théoriquement et expérimentalement, que ces cristaux photoniques 1D peuvent se comporter comme des résonateurs, adressables par la surface verticalement, c’est-à-dire comme des réservoirs de photons où l’énergie électromagnétique peut être accumulée et stockée temporairement de manière à assurer un couplage efficace (absorption) au matériau graphène, moyennant un coût très réduit en termes de la puissance incidente (réduction théorique d’un facteur 25, facteur 7 réalisé expérimentalement). Le résonateur à base de cristal photonique 1D conçu et réalisé dans ce travail fournit également un « sous-produit » photonique très attractif : il se comporte comme un réflecteur compact très efficace, dont les caractéristiques spectrales peuvent être contrôlées à volonté. Un travail important à été consacré à la synthèse du graphène par méthode de dépôt en phase vapeur sur des substrats de nickel et de cuivre : une analyse détaillée de l’influence des paramètres de dépôt et des mécanismes de croissance a été réalisée. Il a été démontré que ces substrats peuvent être utilisés pour la production de une à quelques monocouches de graphène couvrant une surface d’environ 2cm2, de très haute qualité structurale, comme validé par spectroscopie Raman. [...]No abstrac

Field Electron Emission from Crumpled CVD Graphene Patterns Printed via Laser-Induced Forward Transfer

A new approach to the fabrication of graphene field emitters on a variety of substrates at room temperature and in an ambient environment is demonstrated. The required shape and orientation of the graphene flakes along the field are created by the blister-based laser-induced forward transfer of CVD high-quality single-layer graphene. The proposed technique allows the formation of emitting crumpled graphene patterns without losing the quality of the initially synthesized graphene, as shown by Raman spectroscopy. The electron field emission properties of crumpled graphene imprints 1 × 1 mm2 in size were studied. The transferred graphene flakes demonstrated good adhesion and emission characteristics

Influence of Different Copper Treatment on the Formation of Single-Layer Graphene by CVD Method

Chemical vapor deposition synthesis of graphene on copper foil from methane is the most promising technology for industrial production. However, an important problem of the formation of the second and subsequent graphene layers during synthesis arises due to the strong roughness of the initial copper foil. Here we demonstrate the various approaches to prepare a smooth copper surface before graphene synthesis to reduce the formation of multi-layer graphene islands. Six methods of surface processing of copper foils are studied, and the decrease of the roughness from 250 to as low as 80 nm is achieved. The correlation between roughness and the formation of multi-layer graphene is demonstrated. Under optimized conditions of surface treatment, the content of the multi-layer graphene islands drops from 9% to 2.1%. The quality and the number of layers of synthesized graphene are analyzed by Raman spectroscopy, scanning electron microscopy, and measurements of charge mobility

Perspective Application Directions of Fiber Optic Lasers in the Repair and Renewal Operations on the Linear Part of Main Gas Pipelines

Large number of main pipelines requires today an immediate repair. Equipment producing entertainments supply the market with more and more new and advanced devices. However, their use does not always allow reducing the repair work period. That way it is appropriate to develop the alternative repair methods that allow reducing the labor intensity as well as the cost of repair and renewal operations. One of the promising areas is the laser technologies application in the repair process

Perspective Application Directions of Fiber Optic Lasers in the Repair and Renewal Operations on the Linear Part of Main Gas Pipelines

Large number of main pipelines requires today an immediate repair. Equipment producing entertainments supply the market with more and more new and advanced devices. However, their use does not always allow reducing the repair work period. That way it is appropriate to develop the alternative repair methods that allow reducing the labor intensity as well as the cost of repair and renewal operations. One of the promising areas is the laser technologies application in the repair process

Printing of Crumpled CVD Graphene via Blister-Based Laser-Induced Forward Transfer

The patterning and transfer of a two-dimensional graphene film without damaging its original structure is an urgent and difficult task. For this purpose, we propose the use of the blister-based laser-induced forward transfer (BB-LIFT), which has proven itself in the transfer of such delicate materials. The ease of implementation of laser techniques reduces the number of intermediate manipulations with a graphene film, increasing its safety. The work demonstrates the promise of BB-LIFT of single-layer graphene from a metal surface to a SiO2/Si substrate. The effect of the parameters of this method on the structure of transferred graphene islands is investigated. The relevance of reducing the distance between irradiating and receiving substrates for the transfer of free-lying graphene is demonstrated. The reasons for the damage to the integrity of the carbon film observed in the experiments are discussed. The preservation of the original crystal structure of transferred graphene is confirmed by Raman spectroscopy

Helicity-Sensitive Plasmonic Terahertz Interferometer

Plasmonic interferometry is a rapidly growing area of research with a huge potential for applications in the terahertz frequency range. In this Letter, we explore a plasmonic interferometer based on graphene field effect transistor connected to specially designed antennas. As a key result, we observe helicity- and phase-sensitive conversion of circularly polarized radiation into dc photovoltage caused by the plasmon-interference mechanism: two plasma waves, excited at the source and drain part of the transistor, interfere inside the channel. The helicity-sensitive phase shift between these waves is achieved by using an asymmetric antenna configuration. The dc signal changes sign with inversion of the helicity. A suggested plasmonic interferometer is capable of measuring the phase difference between two arbitrary phase-shifted optical signals. The observed effect opens a wide avenue for phase-sensitive probing of plasma wave excitations in two-dimensional materials

Enhanced optical absorbance of CVD-graphene monolayer by combination with photonic crystal slab

International audienc