Polaritons in multilayer semiconductor structures

Abstract

This work is dedicated to theoretical studies of plasmon- and phonon-based surface polaritons in layered materials using the transfer matrix method. For the study of surface plasmon-polaritons (SPPs), structures containing a single or a double interface between air and gold are considered. Surface phononpolaritons (SPhPs) were investigated for two polar semiconductors, GaAs and GaN, for which the real part of the dielectric function is negative in the frequency range bewtween the transverse and longitudinal optical phonon frequencies. The similarities and differences between SPPs and SPhPs are discussed. For GaN, which is a uniaxial crystal, another type of proper mode is considered, named the guided mode, which can be observed (along with SPhPs) in the attenuated total reflection (ATR) configuration of far-infrared (FIR) spectroscopy. A particular type of lossless interface mode called optical Tamm state (OTS), comprised between a polar semiconductor and a Bragg mirror is also investigated. The dispersion equation for OTSs is derived and calculated results are presented that show where and how OTSs are likely to be found on a GaAs/BR interface.

Este trabalho é dedicado ao estudo de plasmões- e fonões-polaritões em materiais com várias camadas, através do método de transferência de matrizes. Para os plasmões-polaritões consideramos estruturas que contém interface simples e interface dupla ar-ouro-ar. No caso dos fonões-polaritões, investigamos dois semicondutores polares,GaAs eGaN, para os quais a parte real da função dielétrica é negativa no intervalo de frequências entre as frequências óptica transversal e óptica longitudinal. As diferenças e similaridades entre SPhPs são discutidas. No caso do GaN, existe um outro modo, chamado de modo guiado, que pode ser observado segundo ométodo ATR (attenuated total reflection), que tem como base o processo de reflecção total interna. Um tipo particular de modos é estudado, chamados de estados ópticos de Tamm (OTSs), entre o semicondutor polar GaAs e um reflector de Bragg. A relação de dispersão dos OTS é derivada e os cálculos presentes mostram o quão provável é a existência de tal estado na interface GaAs/reflector de Bragg.