Gerando e manipulando fatores de alta qualidade de ressonância de Fano no ressonador Nanoring por empilhamento de meio Nanoring

Resumo

Demonstramos a existência da resposta espectral de ressonância de Fano em um sistema de anel ressonante plasmônico em nanoescala empilhado por meio de meia nanorresistência. Nosso esquema proposto explora o método empilhado sob incidência normal para excitar o modo sub-radiante. A nanoestrutura, que utiliza a combinação de ressonância de Fano e polarização resolvida, possui um novo modo de rotação e alta sintonização, proporcionando um controle dinâmico da resposta espectral plasmônica. Formas de linha ressonante de alta qualidade correspondentes aos diferentes modos de ordem das estruturas Fano são prontamente alcançadas em comprimentos de onda do infravermelho próximo, o que é um benefício para a aplicação de nanossensores em circuitos altamente integrados.
FormalPara PACS
73.20.Mf78.67.Bf

Histórico

Polaritons de plasmon de superfície (SPPs) têm atraído grande interesse nos últimos anos devido à sua capacidade de manipular a interação luz-matéria em dimensões em nanoescala [1,2,3,4,5,6]. Devido ao fato de que os avanços na nanofabricação, caracterização nano-óptica e melhorias na computação eletromagnética de campo total, que levaram ao surgimento do campo da nanoplasmônica, mais insight e controle foram obtidos nas ressonâncias plasmônicas localizadas em nanoestruturas metálicas . Em geral, ressonâncias de plasmon de nanoestruturas isoladas como discos [7], triângulos [8, 9], hastes [10, 11] e anéis [12, 13] são naturalmente analisadas. Como um efeito ressonante fundamental, as ressonâncias de Fano resultantes da interferência de modos de excitação amplos e estreitos são tipicamente geradas nas nanoestruturas de anéis [14], aglomerados de oligômeros plasmônicos [15], montagens não esféricas [16], estruturas baseadas em grafeno [17] , pontos quânticos [18], etc. Apesar do fato de haver muitos esforços de pesquisa, a formação de ressonâncias de Fano em comprimentos de onda específicos em nanoestruturas plasmônicas é uma tarefa desafiadora devido à sua natureza complexa correspondendo à hibridização dos modos disponíveis [ 19,20,21]. Além disso, os efeitos de retardo [22, 23] podem ser variados pelo ângulo de incidência, permitindo a existência de modos multipolares escuros [24,25,26,27], o que foi recentemente explorado no contexto do metamaterial [28,29,30 ] No entanto, isso é difícil em sistemas onde os modos de ordem superior são excitados na faixa espectral de interesse [31] ou quando os modos são muito complexos e se estendem espacialmente por uma grande parte da nanoestrutura [32]. E as nanoestruturas plasmônicas mal foram estudadas de uma forma espacialmente revolucionada em uma escala de comprimento de onda. Informações sobre a distribuição espacial das nanoestruturas plasmônicas são cruciais para desvendar o mecanismo que leva à geração de modos a partir das estruturas plasmônicas. Além disso, podemos fornecer uma receita de como um elemento plasmônico pode ser eficientemente acoplado ao outro componente plasmônico.

Neste artigo, demonstramos diferentes ressonâncias de Fano em uma nanoestrutura empilhada composta de nano e meia nanoar individuais. Os resultados numéricos de simulações no domínio do tempo de diferença finita (FDTD) mostram que o modo de ordem par da ressonância de Fano é particularmente excitado e controlado pelo método de empilhamento sob incidência normal, em vez de um método geral com incidência oblíqua. Nossa abordagem fornece novos insights sobre os recursos espectrais da ressonância Fano. As diferentes características espectrais associadas a múltiplas ressonâncias Fano correspondem, cada uma, a modos plasmônicos distintos. Notavelmente, as múltiplas ressonâncias de Fano envolvendo os modos de rotação, que são baseados nos diferentes ângulos de orientação de meia nanoragem, serão alcançadas. Dois fatores de alta qualidade de ressonâncias de Fano com tempo de defasagem efetivo são alcançados simultaneamente no espectro. Esses resultados podem ter aplicações potenciais para nanosensores em circuitos altamente integrados. Além disso, mostramos como a geometria da estrutura determina a ressonância de Fano e, a seguir, como os modos iniciais existentes se convertem nos diferentes modos de controlá-la. Este controle, que está associado às propriedades da nanoestrutura, é muito importante para aplicações práticas, pois fornece alta flexibilidade de projeto, sintonia notável e robusta e excelente desempenho.

Métodos

O sistema concêntrico proposto, composto por uma nanocola de prata (Johnson e Christy) empilhada por uma meia nanotação de prata, como mostrado esquematicamente na Fig. 1, é investigado para exibir diferentes modos de radiação. Aqui, o raio do raio interno de nano-perfuração / meia-nano-perfuração (R em ) e raio externo do anel (R out ) são 310, 400 nm, respectivamente. Para a nossa plataforma, a quantidade da hélice manual estrutural [33] é determinada pelo ângulo θ , que é o ângulo de orientação da metade do nanoring mudando do fio do eixo (ao longo do y -direcção) do sistema concêntrico. Para a estrutura, o nano e meio nano com a espessura ( t ) são colocados em um substrato em que o período é p e o índice de refração é definido como 1. Os parâmetros geométricos correspondentes são dados como segue: t =40 nm e p =1000 nm. Para realizar nossos cálculos numéricos pelas soluções FDTD numéricas, os tamanhos da grade no x e y e z as direções são escolhidas como Δ x =Δ y =Δ z =1 nm [16] e Δ t =Δ x / 2 c ; aqui, c é a velocidade da luz no vácuo. A iluminação de onda do plano incidente é considerada ao longo da parte posterior z -direcção com a polarização ao longo do y -direcção nas simulações. Além disso, o domínio computacional é truncado por camadas perfeitamente correspondentes (PMLs) no z -direcção e o limite periódico no x - e y -instruções.

a Diagrama esquemático da nanoformação de prata / meia nanoformação, os parâmetros geométricos são R em =310 nm, R out =400 nm, t =40 nm e p =1000 nm. b A vista superior correspondente à única célula da nanoestrutura está arranjada da maneira certa. O ângulo de orientação do meio nanoring mudando do fio do eixo (ao longo do y -direcção) do sistema concêntrico é θ

Resultados e discussão

A Figura 2a, c mostra as propriedades ópticas das nanoestruturas plasmônicas, que são consideradas isoladamente. Como as nanoestruturas exibiram apenas modos ímpares de ressonâncias plasmônicas com incidência normal [25], o modo de terceira ordem da nanoração a 1027 nm A pode ser excitado sob a iluminação normal com polarização ao longo do y -eixo, o que implica o modo de ressonância de terceira ordem do nanoring é superradiante. Nesta geometria, a forma da linha de Fano surge do acoplamento hibridizado entre uma ressonância de plasmon do disco e uma ressonância de plasmon suportada pela fatia de anti-ponto [34, 35], que pode ser qualitativamente descrito como o disco de plasmon dipolar associado com um furo em forma de disco em uma película metálica (estrutura de furo) [36], como é mostrado explicitamente na Fig. 2b. A partir da Fig. 2b, podemos utilizar claramente o conceito de hibridização de plasmon para explicar a origem da ressonância Fano de terceira ordem, onde os modos de plasmon podem ser entendidos como ligação (D _B ) ou antibanding (D _AB ) combinação de modos do nanodisco (D _D ) e o anti-ponto (D _H ) modos de plasmon. Além disso, o dipolo do modo de primeira ordem de meia nanoragem simples em 1297 nm B é claramente observado, como mostrado explicitamente na Fig. 2c.

a Propriedades de transmissão de espectros de nanoreamento completo sozinho. A distribuição de z -componente do campo elétrico no comprimento de onda de 1027 nm denotado pela inserção A. b Mecanismo de hibridização plasmônica entre os modos dipolares do disco (D _D ) e anti-ponto (orifício) (D _H ) estruturas e o diagrama de energia da ligação plasmônica degenerada (D _B ) e anticoagulante (D _AB ) modos. Os sinais “+” e “-” representam as cargas positivas e negativas, respectivamente. c Espectros de transmissão do único meio nanoreamento. A distribuição de z -componente do campo elétrico no comprimento de onda de 1297 nm denotado pela inserção B

Para elucidar ainda mais as características de transmissão da nanoestrutura empilhada, também calculamos que a resposta espectral do sistema empilhado é uma combinação dos modos de camadas individuais, como mostrado na Fig. 3a. A fim de compensar completamente o momento de dipolo positivo e negativo, uma ressonância de Fano de modo de segunda ordem não pode ser estimulada diretamente, exceto no caso de uma incidência oblíqua [22]. A Figura 3b mostra o modo de terceira ordem ( m =3) A ressonância de Fano é semelhante ao caso analisado anteriormente na Fig. 2b. Quando o meio nanoramento foi investigado, o modo de terceira ordem ( m =3) A ressonância de Fano quase permanece invariante. Além disso, o modo de segunda ordem ( m =2) A eficiência da ressonância de Fano foi alcançada em um comprimento de onda de 1160 nm, como mostrado explicitamente na Fig. 3c. Comparando os modos de ressonância de plasmão superradiante, podemos concluir que a ressonância de Fano surge da influência do empilhamento. E uma modificação da circunstância em ou em torno dos nanorings afeta o modo ressonante [10]:seu comprimento de onda de ressonância mudará em comparação com aquele de nanorings simples ou meio nanoring. O contato de empilhamento causa uma forte mudança para o azul do modo fundamental de primeira ordem, enquanto a forma geométrica do empilhamento de nano / meia nano ainda permite uma excitação eficiente de modos de ordem superior. Esses dois modos de ressonância de plasmon de primeira ordem do empilhamento de nanoconsumo / meia nanoragem são desviados para 1160 nm, resultando na existência de um modo de segunda ordem ( m =2) Ressonâncias de Fano, em que o modo de primeira ordem da nanoração em um comprimento de onda relativamente longo muda mais do que a meia nanoragem. Demonstramos que os novos modos ressonantes do tipo Fano são estimulados devido à hibridização entre o modo de primeira ordem da nanoragem e a meia nanoragem. Uma vez que esses dois modos podem influenciar um ao outro, isso pode ser atribuído à compensação do efeito de retardo durante a interferência de Fano. É óbvio obter esse modo de segunda ordem ( m =2) A ressonância de Fano é governada pela pilha da meia nanoração por causa das diferentes distribuições de transmissão e características de propagação da nanoestrutura. Como pode ser observado, por um lado, a existência do meio nanoramento tem pouca influência no modo de terceira ordem ( m =3) Ressonância Fano, que mantém as ótimas características. Por outro lado, mostra que o meio nanoramento tem uma influência positiva no modo de segunda ordem ( m =2) Ressonância Fano. Visivelmente, a largura total na metade do máximo (FWHM) da ressonância de segunda ordem é de 14 nm, mostrando um fator de qualidade ( Q -factor) até 82,8. E calculamos o FWHM da ressonância de terceira ordem na nanoestrutura empilhada como 9 nm, que está localizada a 1027 nm efetivamente com um fator de alta qualidade de 114. Dois fatores de alta qualidade na pilha são alcançados pelo empilhamento entre seus constituintes elementos, que é maior do que 20 [37], 50 [38] e 62 [10]. Além disso, o tempo de defasagem do modo ressonante induzido pode influenciar de maneira crucial suas propriedades das ressonâncias. Calculamos o tempo de defasamento do modo ressonante induzido via T _r =2 ℏ / Γ _L ( r =2, 3) [39,40,41], onde ℏ é a constante de Planck reduzida e Γ _L é a largura da linha homogênea da ressonância de Fano. O tempo de defasagem do modo ressonante de segunda ordem ( m =2) T ₂ é estimado em 0,10 ps, e o modo ressonante de terceira ordem ( m =3) T ₃ é estimado em 0,12 ps. Desde as ressonâncias de Fano, tempos de defasagem T ₀ são considerados na ordem de 10 fs [41] e, portanto, são muito curtos para serem resolvidos de forma confiável com os pulsos de laser disponíveis. Ambos T ₂ e T ₃ são maiores do que as ressonâncias gerais de Fano com tempos de defasagem T _0, que pode ser facilmente realizado.

a Espectros de transmissão do sistema acoplado na Fig. 1 (denotado pela linha preta) através da meia nanofiação de prata acoplada à nanofiação de prata completa. b , c Distribuições de z -componente de campo elétrico em comprimentos de onda de 1027 ( m =3) e 1160 nm ( m =2), respectivamente

A seguir, a dependência da ressonância de Fano em parâmetros do sistema também é estudada. Na verdade, como é o caso do ressonador plasmônico, pode-se selecionar as características espectrais das ressonâncias alterando o ângulo de rotação da hélice manual da meia nanorresistência. Quando consideramos a incidência normal com luz polarizada linearmente ao longo do y -eixo ( θ =0 °), pode ser visto que para θ =0 °, apenas os modos de ressonância de segunda e terceira ordem são excitados, como mostrado na Fig. 3a. No entanto, a Fig. 4a mostra que os espectros de uma ligeira variação do ângulo de rotação da hélice manual tem muito mais impacto nas nanoestruturas, observando que a rotação de 5 ° da meia nanoragem leva a um novo modo de ressonância (denominado modo de rotação m = r ) Claramente, quando o meio nanoring é colocado junto com θ =5 ° de rotação, três mergulhos assimétricos existem no espectro. A fim de identificar os modos hibridizados, traçamos as distribuições de carga superficial correspondentes aos três mergulhos no espectro hibridizado, como mostrado na Fig. 4b-d. O diagrama de campo elétrico descreve a hibridização dos modos de plasmon suportados por este sistema empilhado. Além disso, deve-se notar que o modo de terceira ordem ( m =3) como um modo superradiante sob tal excitação quase nenhuma mudança ao longo do y -eixo da nanoestrutura, enquanto a ressonância Fano de segunda ordem ( m =2) é consistente com o mecanismo acima, identificado como um modo de hibridização de primeira ordem de meia nanoragem e nanoração. Notavelmente, o modo de ressonâncias de rotação ( m = r ) do nanoring não pode ser excitado em uma única configuração por causa do efeito de retardo. A queda nos modos de rotação do comprimento de onda ( m = r ) também é hibridizado entre os modos de ressonância de primeira ordem da meia nanoragem e a nanoração. Na situação de rotação, a ressonância de Fano mostra a mesma distribuição de carga com o modo de segunda ordem ( m =2), mas com um ângulo de rotação de hélice manual estrutural, como mostrado na distribuição de carga na Fig. 4d. Com base no modo de segunda ordem, o modo de rotação é suportado por um método de rotação e mostra um redshift assimétrico (mudança para comprimento de onda longo). A meia nanoração rotativa tem dupla função:uma é usada como meia nanoração para gerar o modo de segunda ordem e a outra é servida como uma meia nanoração rotativa para excitar o modo de rotação. Observe que a ressonância do mergulho no espectro pode se fortalecer ou desaparecer, resultando na modulação flexível em circuitos integrados.

a A resposta espectral da nanoestrutura de prata com um ângulo variável θ =5 ° da meia nanoragem. Distribuições de z -componente de campo elétrico em comprimentos de onda de 1027 ( b ), 1160 ( c ) e 1346 nm ( d ), respectivamente

A Figura 5 mostra os espectros da nanoestrutura com os mesmos diâmetros, mas com uma mudança no ângulo da hélice manual da meia nanoração desviando da direção da polarização do campo elétrico. A diferença do ângulo leva à variação do modo de ressonância da rotação ( m = r ), o que está de acordo com a análise dos modos acima. Quando a diferença angular torna-se muito grande, como no caso de θ =0 ° a θ =30 °, a forma da linha do espectro hibridizado se torna mais distinta. Pode-se ver que o modo ( m = r ) não é dominante o suficiente, pois o meio nanoramento tem um pequeno momento de rotação devido ao seu pequeno tamanho de ângulo. E o modo ressonante giratório torna-se aparente aumentando com o ângulo. Assim, toda a estrutura exibe três modos. Além disso, o modo de segunda ordem ( m =2) torna-se diminuído desde o momento líquido ao longo do y -eixo é pequeno, o que resulta em interferência fraca insuficiente para um perfil Fano distinto no modo de segunda ordem ( m =2). À medida que o ângulo do meio nanoramento se torna maior, a diferença ressonante torna-se óbvia, de modo que a sobreposição dos dois modos é proeminente, tornando o perfil de Fano assimétrico ( m =r ) mais distinto.

As linhas azul, verde, vermelha e de origem apresentam os espectros de transmissão da simulação para vários ângulos de rotação à direita θ =0 °, 10 °, 20 ° e 30 °, respectivamente, com os outros parâmetros iguais aos da Fig. 1

É interessante ver que para a nanoestrutura composta de uma nano ranhura com o mesmo comprimento, mas meia nano, uma ressonância de Fano de segunda ordem distinta (na verdade, muito mais nítida) pode ser estimulada, o que pode estimular dois Fano de alta qualidade ao mesmo tempo, contribuindo para o desenvolvimento de circuitos integrados. Isso demonstra ainda que a forma especial do nanoring torna-se diferente daqueles em outros sistemas de nanopartículas. A razão sobre o comportamento particular da hibridização de plasmon é que, para a meia nanoração, onde suas extremidades são relativamente ancoradas, a nanoestrutura irá induzir o modo uniforme da nanoestrutura. Mas como os ângulos da meia nanoragem são variados, o modo de rotação ( m = r ) são excitados, o que subsequentemente produz três perfis de ressonância Fano. Claro, quando o meio nanoring muda para outra direção do y - direção do sistema concêntrico (no caso de θ =0 °, - 10 °, - 20 °, - 30 °), o fenômeno da nanoestrutura é o mesmo da Fig. 5. Podemos tirar as mesmas conclusões de que uma ligeira variação do ângulo de rotação tem muito mais impacto sobre o nanoração de modos ressonantes. Existe o novo modo de ressonância (modo de rotação m = r ) consistente com as descrições anteriores.

Conclusões

Em resumo, uma nova nanoestrutura de plasmonic prata que combina ressonâncias de modo em um sistema híbrido, que consiste em nanoring empilhados por meio nanoring, suportando uma ressonância Fano na faixa do infravermelho próximo do espectro, foi analisada e investigada. A nanoestrutura exibe alta sintonização e controle robusto de seus recursos espectrais com apenas alguns parâmetros estruturais de rotação da hélice manual. A análise da distribuição do campo elétrico revelou que os diferentes modos podem ser excitados para frequências específicas. Caso contrário, múltiplas ressonâncias Fano são alcançadas girando o ângulo de meia nanoração e, em seguida, os mecanismos são significativamente perturbados. A pilha de meia nanoragem cria um caminho para a realização de diferentes modos de ressonância Fano no sistema ressonante plasmônico. Além disso, as formas da linha Fano são de alto fator de qualidade que podem ser facilmente aplicadas para nanosensores em circuitos altamente integrados.

Abreviações

FDTD:: Domínio do tempo de diferença finita
FWHM:: Largura total na metade do máximo
PMLs:: Camadas perfeitamente combinadas
Q -fator:: Fator de qualidade
SPPs:: Polaritons de plasmon de superfície

Síntese e atividade de oxidação de CO de 1D óxido binário misto CeO2-LaO x catalisadores de ouro suportados Tratamento UV de filmes de malha nanowire de cobre flexível para aplicações de condutor transparente

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias