CC BY
10ВКВ0-2021
УСИЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ПЕРИОДИЧЕСКИ ПРОФИЛИРОВАННОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛЕНКОЙ
САРЫЧЕВ А.К., ИВАНОВ А.В.,
Институт теоретической и прикладной электродинамики РАН, г. Москва; Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ, г. Москва
БАРБИЛОН Г.,
EPF-Ecole d'Ingenieurs, 3 bis rue Lakanal, 92330 Sceaux, France
doi 1 0.24412/2308-6920-2021-7-10-11
МОЧАЛОВ К.Е.,
Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН
E-mail: [email protected]
Подробную информацию об авторах см. на сайте www.fotonexpres.ru раздел «Наши авторы»
Рассматривается генерация электромагнитного поля в простейшей плазмонной структуре - периодически профилированной металлической нанопленке. Это одна из немногих плазмонных систем, которая может быть рассчитана аналитически. Локальное электрическое поле значительно усилено и превышает падающее поле на несколько порядков по величине. Усиленное поле достигает своих максимумов в углублениях профилированной нанопленки. Гигантское электрическое поле может быть использовано для усиления сигнала комбинационного рассеяния от молекул и биологических объектов, нанесенных на поверхность пленки.
Эффект плазмонной генерации гигантских электромагнитных полей на микро- и наномасштабах представляется весьма перспективным для создания новых оптических приборов, в частности, биологического и химического зондирования молекул [1]. Управляемые метаматериалы на основе плазмонных нанорезонаторов позволяют возбуждать усиленные электромагнитные поля на заданных частотах путем задания геометрии и пространственного расположения нанорезонаторов [2].
Мы предлагаем генерацию электромагнитного поля простейшей плазмонной структурой - периодически профилированной металлической пленкой, выполненной из серебра и нанесенной на профилированный диэлектрик. Это одна из немногих плазмонных систем, которая может быть рассчитана аналитически в квазиклассическом приближении. Использовался метод конформных преобразований для нахождения усиленного электромагнитного поля в пленке
г л
Ключевые слова: металлическая пленка, плазмон-ный резонанс, усиление электрического поля, гигантское комбинационное рассеяние.
Key words: metallic film, plasmon resonance, electric field enhancement, surface-enhanced Raman scattering.
(Рис.1). Пространство (х,у), состоящие из диэлектрических и металлической областей преобразовывалось в пространство (ц,у). Локальное электрическое поле раскладывалось по собственным функциям оператора Лапласа, который остается инвариантным при конформных преобразованиях.
Электрические поля в различных плазмонных гармониках сшивались на границах областей, получались линейные уравнения для нахождения амплитуд полей. Обращение в ноль детерминантов этих уравнений дает дисперсионные уравнения для резонансных частот различных плазмон-ных мод. Таким образом гигантские резонансные электрические поля генерируются в слабопрофилированной, почти плоской металлической нанопленке. Результаты аналитических расчетов, полученные в квазиклассическом приближении, хорошо согласуются с результатами численных расчетов, выполненных методом конечных элементов в среде Комсол. На Рисунках 2,3 представлено усиление интенсивности электрического поля слабопрофилированной синусоидальной серебряной пленкой, нанесенной на профилированный диэлектрик с показателем преломления п=1.45, для
Рис. 1. Дизайн плазмонной пленки
10 | ФОТОН-ЭКСПРЕСС | №7 (175) |НОЯБРЬ 2021
ВКВ0-2021
L=50 nm, h=(10+d) nm, d=3.8 сЦ
300 250 : 200:
100 L
1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 с1,пт
Рис. 2. .Интенсивность электрического поля на поверхности синусоидальной пленки в зависимости от максимальной толщины серебра. Красными вертикальными линиями обозначены аналитические положения резонансов
различных максимальных толщин серебра. Дизайн профиля пленки учитывает тот факт, что в процессе электронно-лучевого осаждения металлических покрытий в тонких пленках, толщина металла на поверхности выпуклых частей образцов больше, чем на боковых стенках и в углублениях. Интенсивность электрического поля в модулированной пленке показана на Рис. 2 как функция максимальной толщины пленки d. Период структуры L=50 нм, амплитуда модуляции h =12 nm (см. Рис. 3). Два пика поля соответствуют возбуждению первого и второго резонанса. Распределение поля в «дипольном» и «квадрупольном» резонансах показано на Рис. 3. Толщина нанопленки много меньше длины волны, что оправдывает квазиклассическое приближение.
Показано, что электромагнитное поле концентрируется в нано-областях, размер которых может быть выбран в широких пределах в соответствие с размером молекул, вирусов и других изучаемых химических и биологических объектов. Локальное электрическое поле значительно усиливается и
Рис. 3. Распределение напряженности электрического поля E/E0^ для резонансов, указанных на Рис.2
превышает падающее поле на несколько порядков по величине. Усиленное поле распределено по нанопленке, достигая своих максимумов в углублениях поверхности. Гигантское электрическое поле может быть использовано для усиления сигнала комбинационного рассеяния от молекул и биологических объектов, нанесенных на поверхность пленки. Усиление гигантского комбинационного рассеяния (ГКР, SERS) пропорционально четвертой степени локального поля и может достигать пяти порядков даже для простейшей модулированной пленки показанной на Рис. 3.
Данная работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 20-21-00080. Компьютерное моделирование выполнено при поддержке гранта РНФ № 21-79-30048.
ЛИТЕРАТУРА
1. Sarychev A.K, et al, Materials 12,103, 1-39 (2019)
2. G. Barbillon, et al, Nanomaterials 11,1521,1-10 (2021).
Материалы конференции ВКВО-2021
«РОСТЕЛЕКОМ-ЦОД» ПОСТРОИТ В МОСКВЕ ДАТА-ЦЕНТР НА 6 710 СТОЕК
«Ростелеком-ЦОД» приобрел новый объект для строительства дата-центра на юге Москвы в районе Западное Бирюлево по адресу улица Никопольская, владение 6. На территории общей площадью 57 291 кв. м компания построит четыре дата-центра, которые вместят в общей сложности 6 710 стоек. Совокупная площадь центров обработки данных (ЦОД) составит не менее 40 000 кв. м, общая мощность - 55 МВт. Дата-центры будут запускаться поэтапно. Первые 1 000 стоек планируется сдать в эксплуатацию в сентябре 2022 года. Проект дата-центров предполагает уровень защищенности Tier III по классификации Uptime Institute. Это означает, что в ЦОД резервируются все критически важные для работы системы, включая электроснабжение и охлаждение, а обслуживание и ремонт происходят без остановки процессов. Сертификация будет получена по трем направлениям: проектная документация (Documents), соответствие документации при исполнении (Facility) и операционная устойчивость (Sustainability).
Сегодня московский рынок ЦОД испытывает дефицит мощностей: по оценкам аналитиков, текущая потребность столицы составляет около 900 новых стоек в год. Новый проект на Никопольской улице поможет удовлетворить высокий спрос на услуги дата-центров. У нового объекта хорошая транспортная доступность: рядом станция метро «Улица Академика Янгеля» и ж/д стан-р^ ция «Красный строитель». «Растущие потребности государственных и коммерческих компаний превышают текущий объем О рынка услуг дата-центров. Наш новый масштабный проект в Москве поможет справиться с дефицитом мощностей и позво-Q лит бизнесу развивать цифровые проекты на надежной технологической базе без ограничений по наращиваем ".......[г ttfft нию ИТ-ресурсов», - сказал первый заместитель генерального директора «Ростелеком-ЦОД», генеральный директор «ДатаЛайн» Юрий Самойлов.
НОЯБРЬ 2021 | №7 (175) | ФОТОН-ЭКСПРЕСС | 11
