Численное моделирование плазмонного возбуждения наноструктуры золота типа параболической наноантенны Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 535.21

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЛАЗМОННОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ НАНОСТРУКТУРЫ ЗОЛОТА ТИПА ПАРАБОЛИЧЕСКОЙ НАНОАНТЕННЫ

Н.И. Буслеев, С. И. Кудряшов, А. А. Ионин

Были рассмотрены экспериментально полученные наноструктуры в виде сквозного отверстия с частицей в центре. С помощью методов численного моделирования были изучены их электродинамические параметры. Было показано, что такие структуры действуют подобно параболическим антеннам.

Ключевые слова: наноструктурирование тонких пленок, параболические наноантен-ны, численное моделирование электродинамики.

На рис. 1 представлен массив отдельных структурированных кольцеобразных микроотверстий с золотыми нанодисками, оставшимися в их центрах, создаваемыми одиночными кольцеобразными лазерными пучками [1]. Концептуально, топографии структурированных микроотверстий напоминают параболическую микроантенну со сквозным отверстием/кратером как фокусирующим ближнее поле плазмонным зеркалом [2] и центральным нанодиском как его наноантенной.

Было проведено численное моделирование на основе FDTD-расчетов для характеристики плазмонных особенностей и соответствующих распределений электрического поля в подобных структурах (рис. 2).

В нашей модели линейно-поляризованная электромагнитная плоская волна в воздухе падает по нормали на сквозное кольцеобразное отверстие (внешний радиус Rh = 1.5 мкм, внутренний радиус rh = 0.5 мкм) в золотой пленке толщиной 50 нм на полубесконечной подложке из стекла с периодическими граничными условиями (период соответствует размеру ячейки).

Расчетные распределения амплитуды электрического поля |E | в структурированном отверстии на разных длинах волн представлены на рис. 3. Результаты нашего моделирования показывают, что ниже 500 нм (длины волны отсечки интенсивных межзонных

ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: nbusleev@sci.lebedev.ru.

0 О О О • 7 О

о О О 6 О О л к

О 0 О О с I • *

V"0 •п О О О' О

о О * ' О '' о V- С 6

V ' # \ О О . и О О • V4 •

О О " О' О О О •х *

о п ин ■ «Л вк* ' Л

X 1 ,500 5.0кУ ЗЕ1 10)т 5 ЕМ •тем, 4/23/2018 вппп 11:33:40

Рис. 1: БЕИ-изображжение массива структурированных микроотверстий (вставка: отдельное ,микроот,верст,ие в увеличенном масштабе) (внизу шкала - 10 мкм).

Рис. 2: Вид модели в 3В. Электромагнитная волна распространяется противоположно направлению оси Z.

переходов в золоте [3]) для линейной поляризации есть только стоячие волны в слое воздуха между центральным нанодиском и краем микроотверстия (рис. 3, случай 200 нм). Причина заключается в том, что поверхностные плазмоны сильно затухают в золоте из-за очень больших потерь в этом спектральном диапазоне. Однако выше длины волны отсечки - в области выше 700 нм - потери в золоте становятся малы, а гибриди-зованные плазмонные моды микроотверстия и нанодиска обеспечивают значительное усиление электрического поля на их краях вдоль диаметра отверстия, совпадающего с поляризацией лазера (рис. 3, случай 700 нм). На более длинных волнах оптическая связь между краями микроотверстия и центральным нанодиском становится значительно менее эффективной, переходя от волноводной моды к туннельной [4, 5].

Рис. 3: Рассчитанное пространственное распределение амплитуды электрического поля |Е| линейно-поляризованной плоской волны в структурированном отверстии с Ки = 1.5 мкм и ги = 0.5 мкм на разных длинах волн. Стрелка указывает направление поляризации. Цветовая шкала указана в относительных величинах: за единицу принята амплитуда исходной падающей волны. При Л = 700 нм видно увеличение амплитуды поля на краях нанодиска, сонаправленных поляризации.

При рассмотрении распределения электрического поля в подобных структурах при виде "в разрезе" при определенных длинах волн видно, как структура обеспечивает фокусировку поля над центральным нанодиском и возникновение области высокого значения амплитуды (рис. 4).

200 пт 500 пт

У

1 1

700 пт 900 пт

1

Рис. 4: Рассчитанное пространственное распределение амплитуды электрического поля |Е| линейно-поляризованной плоской волны в структурированном отверстии с Кь = 1.5 мкм и = 0.5 мкм на разных длинах волн (вид в разрезе). Цветовая шкала указана в относительных величинах амплитуды исходной падающей волны. При Л = 500 нм видно увеличение амплитуды поля в области над нанодиском.

Таким образом, в нашей работе с помощью методов численного моделирования был исследован электромагнитный отклик наноструктур, представляющих собой параболические антенны.

Расчетная часть работы была поддержана Российским научным фондом (проект № 17-12-01258). Модель параболической наноантенны экспериментально реализована С.И.К. и А.А.И. при поддержке программы Президиума РАН № 32: "Наноструктуры: физика, химия, биология, основы технологий".

ЛИТЕРАТУРА

[1] S. I. Kudryashov, P. A. Danilov, A. P. Porfirev, et al., Optics Letters (in press).

[2] M. A. Gubko, W. Husinsky, A. A. Ionin, et al., Las. Phys. Lett. 11, 065301 (2014).

[3] E. D. Palik, Handbook of optical constants of solids (Academic, Orlando, 1985).

[4] T. W. Ebbesen, H. J. Lezec, H. F. Ghaemi, et al., Nature 391(6668), 667 (1998).

[5] H. Liu, P. Lalanne, Nature 452(7188), 728 (2008).

Поступила в редакцию 17 октября 2018 г. Печатается по материалам конференции "UltrafastLight-2018" (Москва, ФИАН, 2018).