Ultra-confined plasmons reveal moiré patterns in a twisted bilayer graphene–talc heterostructure
Source abstract
Abstract
This work investigates the plasmonic properties of a twisted bilayer graphene (TBG) and talc heterostructure. Talc, a naturally occurring phyllosilicate, promotes p-type charging of graphene, supporting high charge mobility and strong interaction between graphene plasmons and talc's phonon polaritons. This interaction results in the formation of surface plasmon-phonon polariton (SP3) modes, which are detected using infrared scattering-type scanning near-field optical microscopy (IR s-SNOM) at room temperature. Notably, without the need for electrostatic gating, our study reveals confinement of SP3 modes in a TBG-talc heterostructure and a transition from surface plasmonic waves to the emergence of moiré superlattices, characterized by reflections at domain walls. These findings provide fresh insights into the coupling mechanisms in hybrid materials and suggest promising applications in nanoscale optoelectronics.
Source: europepmc · Quality: candidate unverified · Source record ↗
Research context
OpenAlex topics: Plasmonic and Surface Plasmon Research · Graphene research and applications · Gold and Silver Nanoparticles Synthesis and Applications
SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.
Affiliations
Departamento de Física, Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte, MG, 31270-901, Brazil
Centro de Tecnologia em Nanomateriais e Grafeno, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, MG, 31270-901, Brazil
Department of Physics, Aeronautics Institute of Technology, 12228-900, São José dos Campos, SP, Brazil
Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), Campinas, SP, 13083-970, Brazil
Funding
Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico · Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior · Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais · Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo
References (58)
Show source-provided references
1. Geim · Science · 2009 · 324 · 153010.1126/science.1158877 ↗
2. Geim · Nature · 2013 · 499 · 41910.1038/nature12385 ↗
3. Ajayan · Phys. Today · 2016 · 69 · 3810.1063/PT.3.3297 ↗
4. Nair · Science · 2008 · 320 · 130810.1126/science.1156965 ↗
5. Bao · ACS Nano · 2012 · 6 · 367710.1021/nn300989g ↗
6. Williams · Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. · 2009 · 80 · 1
7. Yan · Carbon Lett. · 2021 · 31 · 17710.1007/s42823-020-00200-7 ↗
8. Sun · Energy Environ. Sci. · 2011 · 4 · 111310.1039/c0ee00683a ↗
9. Sahoo · Adv. Mater. · 2012 · 24 · 420310.1002/adma.201104971 ↗
10. Xiao · Front. Phys. · 2016 · 11 · 11780110.1007/s11467-016-0551-z ↗
11. Luo · Mater. Sci. Eng., R · 2013 · 74 · 35110.1016/j.mser.2013.09.001 ↗
12. García de Abajo · ACS Photonics · 2014 · 1 · 13510.1021/ph400147y ↗
13. Grigorenko · Nat. Photonics · 2012 · 6 · 74910.1038/nphoton.2012.262 ↗
14. Fei · Nature · 2012 · 487 · 8210.1038/nature11253 ↗
15. Fei · Nano Lett. · 2011 · 11 · 470110.1021/nl202362d ↗
16. Ogawa · Sensors · 2020 · 20 · 110.1109/JSEN.2020.3014328 ↗
17. Wu · Opt. Express · 2010 · 18 · 1439510.1364/OE.18.014395 ↗
18. Zhou · Appl. Opt. · 2018 · 57 · 664510.1364/AO.57.006645 ↗
19. Castilla · Nat. Commun. · 2020 · 11 · 487210.1038/s41467-020-18544-z ↗
20. Ni · Nature · 2018 · 557 · 53010.1038/s41586-018-0136-9 ↗
21. Jablan · Proc. IEEE · 2013 · 101 · 168910.1109/JPROC.2013.2260115 ↗
22. Chen · Nature · 2012 · 487 · 7710.1038/nature11254 ↗
23. Carr · Phys. Rev. B · 2017 · 95 · 110.1103/PhysRevB.95.075420 ↗
24. Cao · Nature · 2018 · 556 · 4310.1038/nature26160 ↗
25. Bistritzer · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2011 · 108 · 1223310.1073/pnas.1108174108 ↗
26. Lu · Nature · 2019 · 574 · 65310.1038/s41586-019-1695-0 ↗
27. Yankowitz · Science · 2019 · 363 · 105910.1126/science.aav1910 ↗
28. Suárez Morell · Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. · 2010 · 82 · 12140710.1103/PhysRevB.82.121407 ↗
29. Gadelha · Nature · 2021 · 590 · 40510.1038/s41586-021-03252-5 ↗
30. Yoo · Nat. Mater. · 2019 · 18 · 44810.1038/s41563-019-0346-z ↗
31. Zhang · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2013 · 110 · 1054610.1073/pnas.1308853110 ↗
32. Ju · Nature · 2015 · 520 · 65010.1038/nature14364 ↗
33. Rickhaus · Nano Lett. · 2018 · 18 · 672510.1021/acs.nanolett.8b02387 ↗
34. Ohlberg · Nat. Commun. · 2021 · 12 · 298010.1038/s41467-021-23253-2 ↗
35. Bargas · Phys. Status Solidi B · 2024 · 240054810.1002/pssb.202400548 ↗
36. Luo · Nat. Commun. · 2020 · 11 · 110.1038/s41467-019-13993-7 ↗
37. Basov · Science · 2016 · 354 · aag199210.1126/science.aag1992 ↗
38. Dai · Nat. Nanotechnol. · 2015 · 10 · 68210.1038/nnano.2015.131 ↗
39. Brar · Nano Lett. · 2014 · 14 · 387610.1021/nl501096s ↗
40. Sunku · Science · 2018 · 362 · 115310.1126/science.aau5144 ↗
41. Busse · Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. · 2003 · 68 · 20140110.1103/PhysRevB.68.201401 ↗
42. Luo · Appl. Phys. Lett. · 2004 · 84 · 478010.1063/1.1760221 ↗
43. Laha · J. Nanopart. Res. · 2017 · 19 · 30210.1007/s11051-017-3988-2 ↗
44. Longuinhos · J. Phys. Chem. C · 2023 · 12 · 587610.1021/acs.jpcc.3c00017 ↗
45. Frisenda · npj 2D Mater. Appl. · 2020 · 4 · 110.1038/s41699-020-00172-2 ↗
46. Barcelos · ACS Photonics · 2018 · 5 · 191210.1021/acsphotonics.7b01017 ↗
47. Mania · 2D Mater. · 2017 · 4 · 03100810.1088/2053-1583/aa76f4 ↗
48. Novoselov · Science · 2004 · 306 · 66610.1126/science.1102896 ↗
49. Gadelha · ACS Appl. Nano Mater. · 2021 · 4 · 185810.1021/acsanm.0c03230 ↗
50. P.Markos and C. M.Soukoulis , Wave Propagation: From Electrons to Photonic Crystals and Left-Handed Materials , Princeton University Press , 200810.1515/9781400835676 ↗
51. Chaves · Phys. Rev. B · 2017 · 96 · 19543810.1103/PhysRevB.96.195438 ↗
52. Feres · arXiv · 2025 · 1
53. Luxmoore · ACS Photonics · 2014 · 1 · 115110.1021/ph500233s ↗
54. Alnatah · Sci. Adv. · 2024 · 10 · eadk696010.1126/sciadv.adk6960 ↗
55. Hung Nguyen · 2D Mater. · 2021 · 8 · 03504610.1088/2053-1583/ac044f ↗
56. Jiang · Nat. Mater. · 2016 · 15 · 84010.1038/nmat4653 ↗
57. Beyer · Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process. · 1999 · 68 · 16310.1007/s003390050871 ↗
58. Alencar · 2D Mater. · 2015 · 2 · 01500410.1088/2053-1583/2/1/015004 ↗