Создание и управление факторами высокого качества резонанса Фано в резонаторе с нанесением наночастиц путем наложения половинного наночастиц

Фон

Поверхностные плазмонные поляритоны (ПП) вызвали большой интерес в последние годы из-за их способности управлять взаимодействием света и вещества в наноразмерных измерениях [1,2,3,4,5,6]. Благодаря тому факту, что достижения в области нанопроизводства, нанооптического определения характеристик и усовершенствования в вычислительной электромагнетизме полного поля, что привело к появлению области наноплазмоники, было получено больше понимания и контроля над локализованными плазмонными резонансами в металлических наноструктурах. . В общем, естественно анализируются плазмонные резонансы изолированных наноструктур, таких как диски [7], треугольники [8, 9], стержни [10, 11] и кольца [12, 13]. В качестве основного резонансного эффекта резонансы Фано, возникающие в результате интерференции широких и узких мод возбуждения, обычно возникают в кольцевых наноструктурах [14], плазмонных кластерах олигомеров [15], несферических сборках [16], структурах на основе графена [17]. , квантовые точки [18] и т. д. Несмотря на то, что существует множество исследований, формирование резонансов Фано на определенных длинах волн в плазмонных наноструктурах является сложной задачей из-за их сложной природы, соответствующей гибридизации имеющихся мод [ 19,20,21]. Кроме того, эффекты запаздывания [22, 23] могут варьироваться в зависимости от угла падения, что делает возможным существование темных мультиполярных мод [24,25,26,27], которые недавно были использованы в контексте метаматериалов [28,29,30 ]. Однако это сложно в системах, где моды более высокого порядка возбуждаются в интересующем спектральном диапазоне [31] или когда моды очень сложные и пространственно простираются на большую часть наноструктуры [32]. А плазмонные наноструктуры практически не были изучены в пространственно-повернутом виде в субволновом масштабе. Информация о пространственном распределении плазмонных наноструктур имеет решающее значение для раскрытия механизма, который приводит к генерации мод из плазмонных структур. Кроме того, мы можем предоставить рецепт того, как один плазмонный элемент может быть эффективно связан с другим плазмонным компонентом.

В этой статье мы демонстрируем различные резонансы Фано в многослойной наноструктуре, состоящей из отдельных наноколец и половинных наноколец. Численные результаты моделирования конечных разностей во временной области (FDTD) показывают, что мода четного порядка резонанса Фано особенно возбуждается и контролируется методом суммирования при нормальном падении, а не общим методом при наклонном падении. Наш подход позволяет по-новому взглянуть на спектральные особенности резонанса Фано. Различные спектральные особенности, связанные с множественными резонансами Фано, соответствуют отдельным плазмонным модам. Примечательно то, что будут достигнуты множественные резонансы Фано, включающие моды вращения, которые основаны на различном угле ориентации половинного нанокольца. В спектре одновременно достигаются два высоких показателя качества резонансов Фано с эффективным временем дефазировки. Эти результаты могут иметь потенциальные применения для наносенсоров в схемах с высокой степенью интеграции. Кроме того, мы показываем, как геометрия конструкции определяет резонанс Фано, а затем как существующие начальные режимы преобразуются в различные режимы для управления им. Этот контроль, связанный со свойствами наноструктуры, очень важен для практических приложений, поскольку обеспечивает высокую гибкость конструкции, замечательную и надежную настраиваемость и отличные характеристики.

Методы

Предлагаемая концентрическая система, состоящая из нанокольца из серебра (Джонсона и Кристи), уложенного друг над другом половинным нанокольцом из серебра, как схематически показано на рис. 1, исследуется для выявления различных мод излучения. Здесь радиус внутреннего радиуса нанокольца / половины нанокольца (R in ) и внешний радиус кольца (R out ) составляют 310 и 400 нм соответственно. Для нашей платформы количество структурной спирали [33] определяется углом θ , который представляет собой угол ориентации полукольца, смещающегося от осевого провода (вдоль y -направление) концентрической системы. Для структуры нанокольцо и половинное нанокольцо толщиной ( t ) размещаются на подложке с периодом p и показатель преломления установлен равным 1. Соответствующие геометрические параметры задаются следующим образом: t =40 нм и p =1000 нм. Для выполнения численных расчетов с помощью Lumerical FDTD Solutions размеры сетки в x и y и z направления выбраны равными Δ x =Δ y =Δ z =1 нм [16] и Δ t =Δ x / 2 c ; здесь, c - скорость света в вакууме. Освещение падающей плоской волной принято вдоль обратной z -направление с поляризацией по y -направление в симуляциях. Кроме того, вычислительная область усекается идеально согласованными слоями (PML) в z -направление и периодическая граница в x - и y -направления.

а Принципиальная схема серебряного нанокольца / половинного нанокольца, геометрические параметры:R дюйм =310 нм, R out =400 нм, t =40 нм и p =1000 нм. б Вид сверху, соответствующий отдельной ячейке наноструктуры, расположен справа. Угол ориентации полукольца, смещающегося от осевого провода (вдоль y -направление) концентрической системы равно θ

Результаты и обсуждение

На рис. 2а, в показаны оптические свойства плазмонных наноструктур, которые рассматриваются отдельно. Поскольку в наноструктурах наблюдались только нечетные моды плазмонных резонансов при нормальном падении [25], мода третьего порядка наноколец на длине волны 1027 нм A может возбуждаться при нормальном освещении с поляризацией вдоль y -ось, которая подразумевает, что резонансная мода третьего порядка наноколец является сверхизлучательной. В этой геометрии форма линии Фано возникает в результате гибридной связи между плазмонным резонансом диска и плазмонным резонансом, поддерживаемым срезом антиточки [34, 35], который качественно можно описать как диполярный плазмонный диск, связанный с дискообразное отверстие в металлической пленке (дырочная структура) [36], как явно показано на рис. 2б. Из рис. 2b мы можем ясно использовать концепцию плазмонной гибридизации для объяснения происхождения резонанса Фано третьего порядка, где плазмонные моды можно понимать как связывание (D _B ) или антибандинг (D _AB ) комбинация режимов нанодиска (D _D ) и антиточка (D _H ) плазмонные моды. Кроме того, диполь моды первого порядка с одинарным половинным нанокольцом на длине волны 1297 нм B четко наблюдается, как явным образом показано на рис. 2c.

а Пропускающие свойства только спектров полного нанокольца. Распределение z -компонента электрического поля на длине волны 1027 нм обозначена вставкой A. б Механизм плазмонной гибридизации между дипольными модами диска (D _D ) и антиточка (дыра) (D _H ) структуры и энергетическая диаграмма вырожденной плазмонной связи (D _B ) и разжижающие (D _AB ) режимы. Знаки «+» и «-» обозначают соответственно положительный и отрицательный заряды. c Спектры пропускания одиночного полукольца. Распределение z -компонента электрического поля на длине волны 1297 нм, обозначенная вставкой B

Для дальнейшего выяснения характеристик пропускания многослойной наноструктуры мы также вычислили, что спектральный отклик многослойной системы представляет собой комбинацию режимов отдельных слоев, как показано на рис. 3а. Чтобы полностью компенсировать положительный и отрицательный дипольный момент, резонанс Фано на моде второго порядка нельзя стимулировать напрямую, за исключением наклонного падения [22]. На рисунке 3b показана мода третьего порядка ( m =3) Резонанс Фано аналогичен ранее проанализированному случаю на рис. 2б. При исследовании половинного нанокольца, стоящего на нанокольце, была изучена мода третьего порядка ( m =3) Резонанс Фано почти остается инвариантным. Кроме того, мода второго порядка ( m =2) Эффективность резонанса Фано была достигнута на длине волны 1160 нм, как явным образом показано на рис. 3c. Сравнивая моды сверхизлучательного плазмонного резонанса, мы можем заключить, что резонанс Фано возникает из-за влияния суммирования. И изменение обстоятельств внутри или вокруг нанокольца влияет на резонансный режим [10]:его резонансная длина волны будет изменяться по сравнению с длиной волны одиночного нанокольца или половинного нанокольца. Укладывающийся контакт вызывает сильное синее смещение основной моды первого порядка, в то время как геометрическая форма укладываемых наноколец / половинных наноколец по-прежнему позволяет эффективно возбуждать моды более высокого порядка. Эти две плазмонно-резонансные моды первого порядка стэкинг-нанокольца / полу-нанокольца смещены в синий цвет до 1160 нм, что приводит к существованию моды второго порядка ( m =2) Резонансы Фано, когда мода первого порядка наноколец на относительно длинной длине волны смещается больше, чем половина наноколец. Мы демонстрируем, что новые резонансные моды типа Фано возбуждаются из-за гибридизации между модой первого порядка наноколец и полукольца. Поскольку эти два режима могут влиять друг на друга, это можно приписать компенсации эффекта замедления во время интерференции Фано. Очевидно, что мода второго порядка ( m =2) Резонанс Фано определяется набором половинных наноколец из-за различных распределений пропускания и характеристик распространения наноструктуры. Как можно заметить, с одной стороны, наличие полунанокольца мало влияет на моду третьего порядка ( m =3) Резонанс Фано, сохраняющий большие характеристики. С другой стороны, это показывает, что половинное нанокольцо положительно влияет на моду второго порядка ( m =2) Резонанс Фано. Примечательно, что полная ширина на полувысоте (FWHM) резонанса второго порядка составляет 14 нм, что указывает на добротность ( Q -фактор) до 82,8. И мы рассчитали, что полуширина резонанса третьего порядка в многослойной наноструктуре составляет 9 нм, что соответствует длине 1027 нм, эффективно с высоким коэффициентом качества 114. Два высоких коэффициента качества в сумме достигаются за счет наложения между составляющими элементов, что больше 20 [37], 50 [38] и 62 [10]. Кроме того, время дефазировки наведенного резонансного режима может существенно повлиять на его свойства резонансов. Мы рассчитали время дефазировки наведенного резонансного режима через T _r =2 ℏ / Γ _L ( г =2, 3) [39,40,41], где ℏ - приведенная постоянная Планка и Γ _L - однородная ширина линии резонанса Фано. Время дефазировки резонансного режима второго порядка ( м =2) Т ₂ оценивается как 0,10 пс, а резонансная мода третьего порядка ( m =3) Т ₃ оценивается как 0,12 пс. Поскольку резонансы Фано, времена дефазировки T ₀ считаются порядка 10 фс [41] и, следовательно, слишком коротки, чтобы их можно было надежно разрешить с помощью имеющихся лазерных импульсов. Оба T ₂ и T ₃ больше, чем общие времена дефазировки резонансов Фано T _0, которые легко реализовать.

а Спектры пропускания связанной системы на рис. 1 (обозначены черной линией) через половину серебряного нанокольца, соединенного с полным серебряным нанокольцом. б , c Распределения z -компонента электрического поля на длинах волн 1027 ( м =3) и 1160 нм ( м =2) соответственно

Далее изучается зависимость резонанса Фано от параметров системы. Действительно, как и в случае плазмонного резонатора, можно выбрать спектральные характеристики резонансов, изменив угол поворота спиральной полукольца. Когда мы рассматриваем нормальное падение с линейно поляризованным светом вдоль y -ось ( θ =0 °), видно, что для θ =0 °, возбуждаются только резонансные моды второго и третьего порядка, как показано на рис. 3а. Однако на рис. 4а показаны спектры небольшого изменения угла поворота спиральной спирали, оказывающего гораздо большее влияние на наноструктуры, при этом видно, что поворот полунанокольца на 5 ° приводит к резонансу новой моды (названной модой вращения m = r ). Ясно, что когда половинное нанокольцо помещается вместе с θ =5 ° вращения, в спектре существуют три несимметричных провала. Чтобы идентифицировать гибридизированные моды, мы строим распределения поверхностного заряда, соответствующие трем провалам в гибридизированном спектре, как показано на рис. 4b – d. Диаграмма электрического поля описывает гибридизацию плазмонных мод, поддерживаемых этой пакетной системой. Кроме того, следует отметить, что мода третьего порядка ( m =3) как сверхизлучательная мода при таком возбуждении практически не меняется по y -ось наноструктуры, тогда как резонанс Фано второго порядка ( m =2) согласуется с описанным выше механизмом, идентифицированным как режим гибридизации первого порядка половинного нанокольца и нанокольца. Примечательно, что режим резонансов вращения ( м = r ) наноколец не может быть возбужден в одной конфигурации из-за эффекта запаздывания. Провал в режимах вращения длины волны ( м = r ) также гибридизируется между резонансными модами первого порядка полукольца и наноколец. В ситуации вращения резонанс Фано показывает то же распределение заряда, что и мода второго порядка ( m =2), но со структурным углом поворота спирали, как показано на распределении заряда на рис. 4d. На основе режима второго порядка режим вращения поддерживается методом вращения и демонстрирует асимметричное красное смещение (сдвиг в сторону длинных волн). Вращающееся половинное нанокольцо выполняет двойную функцию:одно используется в качестве половинного нанокольца для генерации моды второго порядка, а другое служит в качестве вращающегося половинного нанокольца для возбуждения режима вращения. Обратите внимание, что резонанс провала в спектре может усиливаться или исчезать, что приводит к гибкой модуляции в интегральных схемах.

а Спектральный отклик серебряной наноструктуры при изменении угла θ =5 ° половинного нанокольца. Распределения z -компонента электрического поля на длинах волн 1027 ( b ), 1160 ( c ) и 1346 нм ( d ) соответственно

На рис. 5 показаны спектры наноструктуры того же диаметра, но с изменяющимся углом спиральной спирали полукольца, отклоняющейся от направления поляризации электрического поля. Разница углов приводит к изменению резонансного режима вращения ( м = r ), что согласуется с приведенным выше анализом мод. Когда разница углов становится очень большой, например, в случае с θ =От 0 ° до θ =30 ° форма линии гибридизированного спектра становится более отчетливой. Видно, что режим ( m = r ) не является достаточно доминирующим, поскольку половинное нанокольцо имеет небольшой вращающий момент из-за небольшого размера угла. И вращающийся резонансный режим становится очевидным, увеличиваясь с увеличением угла. Таким образом, вся конструкция демонстрирует три режима. Кроме того, режим второго порядка ( m =2) уменьшается, так как чистый момент вдоль y ось мала, что приводит к слабой интерференции, недостаточной для отличительного профиля Фано в режиме второго порядка ( m =2). По мере того, как угол полукольца становится больше, резонансная разница становится очевидной, так что перекрытие двух мод заметно, что делает профиль Фано асимметричным ( m =r ) более характерный.

Синяя, зеленая, красная и исходная линия представляют собой спектры пропускания при моделировании для различных углов поворота вправо θ =0 °, 10 °, 20 ° и 30 ° соответственно, остальные параметры такие же, как на рис. 1

Интересно видеть, что для наноструктуры, состоящей из нанокольца той же длины, но с половиной нанокольца, также может быть возбужден характерный (на самом деле намного более резкий) резонанс Фано моды второго порядка, который может стимулировать два высококачественных Фано одновременно. время, способствуя развитию интегральных схем. Это также демонстрирует, что особая форма наноколец отличается от формы наночастиц в других системах наночастиц. Причина особого поведения плазмонной гибридизации заключается в том, что для половинных наноколец, где их концы находятся относительно стыковки наноколец, где сильное влияние будет индуцировать четную моду наноструктуры. Но поскольку угол полукольца меняется, режим вращения ( m = r ) возбуждаются, что впоследствии приводит к возникновению трех резонансных профилей Фано. Конечно, когда половинное нанокольцо смещается в другую сторону от y -направление концентрической системы (в случае θ =0 °, - 10 °, - 20 °, - 30 °), явление наноструктуры такое же, как на рис. 5. Мы можем сделать те же выводы, что небольшое изменение угла поворота оказывает гораздо большее влияние на нанонарезные резонансные режимы. Появился новый режим резонанса (режим вращения m = r ) в соответствии с описанием выше.

Выводы

Таким образом, была проанализирована и исследована новая плазмонная наноструктура серебра, которая объединяет модовые резонансы в гибридную систему, состоящую из наноколец, уложенных наполовину наноколец, поддерживающих резонанс Фано в ближнем инфракрасном диапазоне спектра. Наноструктура демонстрирует высокую настраиваемость и надежный контроль ее спектральных характеристик с помощью всего лишь нескольких структурных параметров вращения спиральной спирали. Анализ распределения электрического поля показал, что разные моды могут возбуждаться на определенных частотах. В противном случае множественные резонансы Фано достигаются путем поворота угла половинного нанокольца, и тогда механизмы значительно нарушаются. Набор половинных наноколец создает путь для реализации различных резонансных мод Фано в плазмонной резонансной системе. Кроме того, формы линий Фано обладают высоким показателем качества, которые могут быть легко применены для наносенсоров в высокоинтегрированных схемах.

Сокращения

FDTD:

Конечная разность во временной области

FWHM:

Полная ширина на полувысоте

файлы PML:

Идеально подобранные слои

Q -фактор:

Фактор качества

SPP:

Поверхностные плазмонные поляритоны