Biaxial hyperbolic metamaterials using anisotropic few-layer black phosphorus

Abstract

Most of hyperbolic metamaterials (HMMs) investigated to date are based on isotropic materials resulting in uniaxial HMMs in which dielectric permittivities perpendicular to the propagation direction are the same. Using an anisotropic material constituent to form a HMM is a promising research direction providing opportunities to control the dielectric permittivity in all three directions independently. Herein, we propose and theoretically demonstrate novel biaxial HMMs composed of multilayer stacks of few-layer black phosphorus (BP) and Au thin films. Black phosphorus is an anisotropic material exhibiting crystal axis-dependent dielectric permittivity due to its puckered crystal structure. The proposed HMM provides previously unattained hyperbolic dispersion relations in which the dielectric permittivity in Z-direction of the structure shows opposite sign from that in X- and Y-directions in the most wavelengths from 400~900nm. Furthermore, we calculated the Purcell factor of the proposed biaxial HMMs using full-field electromagnetic simulations.

Electronic and hyperbolic dielectric properties of ZrS2/HfS2 heterostructures

“…For the TMDs heterostructure-based HMMs, EMT can be effective in evaluating the hyperbolic regime where real(ε‖)<0. Further tuning is obviously possible by considering heterostructures with other 2D material or metal [52]. In addition, the hyperbolic dispersion property are also found in the V-finite heterostructures (ZrS2)m/(HfS2)n. In the hyperbolic region, the surfaces of constant frequency are hyperbolic, extending to very large values of k.…”

“…8). This sign difference is the characteristic feature of so-called indefinite media [18,19], which was proposed in the study of metamaterials and has important potential applications such as near-field focusing and spontaneous emission enhancement [20,21,52,53]. The bulk materials exhibit predominantly type II dispersion corresponding to metallic response in-plane and dielectric response out-of-plane [20].…”

Polarization Reflector/Color Filter at Visible Frequencies via Anisotropic α‐MoO3

“…In recent years, 2D van der Waals (vdW) materials, the layered crystals in which individual atomic planes are held together by weak vdW bonds, have drawn increasing attention due to their unique optical properties. [ 9–13 ] Since the first isolation of graphene, 2D vdW materials have grown into a large family [ 14 ] and now comprise of both high lattice symmetry isotropic materials and anisotropic materials with low lattice symmetry, such as black phosphorus (BP), [ 6,15–17 ] gallium telluride (GaTe) [ 18 ] and hexagonal boron nitride(hBN). [ 19,20 ] Due to the asymmetrical crystal structure in anisotropic 2D vdW materials, they not only possess properties comparable to those of the most studied isotropic graphene, [ 14,21 ] such as a large on/off ratio and high mobility, but also exhibit in‐plane electrical, optical and thermal anisotropic properties.…”

Оптические Двухфотонные Поверхностные Нелинейные Волны

“…Анизотропные ЛМ характеризуются тензорами диэлек-трической и магнитной проницаемостей, некоторые ком-поненты которых могут принимать также и отрица-тельные значения. В виду того что параметры ППП в ЛМ зависят от электрических и магнитных свойств соприкасающихся сред, использование ЛМ позволяет влиять на параметры ППП в более широком диапазоне по сравнению с изотропными правосторонными средами (ПС), свойства которых зависят только от электриче-ских своиств [15][16][17].Свойства нелинейных ППП особенно интересны и разнообразны, когда наряду с графеном между различ-ными контактирующими средами расположен также и резонансный переходной слой. Переходной слой суще-ственно влияет на свойства ППП, когда они находятся в резонансе с оптически активными примесными ато-мами (КТ), содержащимися в переходном слое.…”

“…Анизотропные ЛМ характеризуются тензорами диэлек-трической и магнитной проницаемостей, некоторые ком-поненты которых могут принимать также и отрица-тельные значения. В виду того что параметры ППП в ЛМ зависят от электрических и магнитных свойств соприкасающихся сред, использование ЛМ позволяет влиять на параметры ППП в более широком диапазоне по сравнению с изотропными правосторонными средами (ПС), свойства которых зависят только от электриче-ских своиств [15][16][17].…”