국부 전기장을 크게 강화하여 가시 영역에서 보이드 플라즈몬 효과에 의한 무지향성 흡수기

결과 및 토론

일반성을 잃지 않고 기하학적 매개변수를 p로 설정했습니다. =200 nm, w =60 nm, h ₁ =20 nm, h ₂ =250 nm 및 h ₃ =200 nm. 먼저 평면파가 구조물에 정상적으로 입사한다고 가정합니다. 그림 2a의 검은색 선은 계산된 흡수 응답을 나타냅니다. 상부층에 주기적인 나노홀 어레이가 없는 FP 흡수체와 비교할 때, 635 nm 부근에서 새로운 흡수 피크가 나타나며 흡수 효율은 최대 99.8%입니다. 이 새로운 흡수 피크의 기원을 이해하기 위해 평면 20nm 두께의 은막과 함께 3개 층의 서로 다른 조합의 흡수 스펙트럼을 계산하고 그림 2b에 표시합니다. 바닥 반사 은 층이 없으면 FP 공진에 해당하는 피크가 더 긴 파장으로 이동하고 낮은 흡수 효율을 나타냅니다(그림 2b, TL + ML 참조). 이는 바닥 계면에서의 반사 위상의 변화와 에너지 누출로 인해 전송을 통해. 중간 층이 제거되면 FP 공명 피크는 결국 사라지고 새로운 흡수 피크는 635에서 482 nm로 큰 파란색 이동을 보여줍니다(그림 2b, TL 참조). 거대한 청색 편이는 중간층이 제거되었을 때 환경 유전 물질의 굴절률의 전이와 관련이 있습니다. 나노홀 어레이를 더 제거하면(그림 2b 참조, 20nm 두께의 평면 은막) 482 nm 부근의 날카로운 흡수 피크가 사라집니다. 따라서 635 nm에 위치한 새로운 흡수 피크는 VP 공명과 FP 공진의 결합에 의해 피크 위치와 흡수 효율이 수정되는 상단 금속층의 나노홀과 상관 관계가 있습니다. 새로운 피크는 또한 주변 물질의 굴절률에 민감하며, 이는 이것이 플라즈몬 효과(PSP 또는 VP)와 관련이 있다는 힌트를 제공합니다. 새로운 흡수 피크의 메커니즘을 추가로 확인하기 위해 수치 계산을 수행하여 설계된 구조의 가능한 PSP 모드를 분석합니다. 은/유전체 계면 PSP(0, 1) 모드의 최대 공진 파장은 480 nm로 635 nm의 공명 흡수 피크보다 훨씬 작은 것으로 나타났습니다. 따라서 우리는 새로운 피크가 나노홀의 VP 효과에서 비롯된 것으로 간주합니다.

아 제안된 나노홀 어레이 기반 흡수체의 계산된 흡수 스펙트럼은 최상층에 나노홀이 없는 FP 흡수체와 비교됩니다. ㄴ 20 nm의 은 뿐만 아니라 3개 층의 다른 조합을 사용하여 계산된 흡수 스펙트럼. TL, 최상층; ML, 중간층; BL, 하단 레이어

입사각에 대한 흡수 피크 위치의 의존성은 PSP와 VP 효과 사이의 흡수 메커니즘을 구별하는 강력한 증거를 추가로 제공할 수 있습니다. VP 효과의 분산을 알고 이전 해석을 강화하기 위해 VP 모드의 각도 종속 분산을 수치적으로 조사합니다. 횡방향 전기(TE) 및 횡방향 자기(TM) 편광에 대해 제안된 흡수체에 대해 계산된 흡수 등고선은 파장 및 입사각의 함수로 각각 그림 3a 및 b에 표시됩니다. TE 편광의 경우 입사각 θ 증가하면 VP 흡수 피크는 이동을 나타내지 않는 반면 다른 3개의 FP 공명 흡수 피크는 더 짧은 파장으로 이동합니다. FP 공진의 피크 이동은 다음 공진 조건(중간 유전층의 정상파 조건)으로 이해할 수 있습니다.

여기서 φ ₁ 및 φ ₂ 상단 및 하단 캐비티 인터페이스의 위상 변이 및 m 정수입니다. 또한 TM 편광의 경우 VP 흡수 피크는 입사각이 증가함에 따라 약간의 적색 편이를 나타냅니다. 3개의 FP 공명 흡수 피크는 TE 편광의 경우와 동일한 청색 이동을 나타냅니다. VP 공진 모드에 의해 유도되는 흡수 메커니즘을 설명하기 위해 우리는 VP 공진 모드에 의해 유도되는 흡수가 두 가지 과정을 포함한다고 생각합니다. 첫 번째 프로세스는 입사광에 의해 유도된 VP 공진 모드의 여기입니다. 나노홀 구조의 고유 공진 주파수가 입사광의 주파수와 같을 때 계면에서 전도 전자의 진동은 입사광의 편광 및 각도와 무관합니다. 그런 다음 두 번째 프로세스는 FP 캐비티에 의해 변조된 "공명 쌍극자"의 복사입니다. 여기와 복사는 편광과 입사각에 독립적이기 때문에 VP 공진 모드 유도 흡수 피크 위치는 입사각과 편광에 걸쳐 변하지 않습니다.

파장 및 입사각의 함수로 제안된 나노홀 어레이 기반 흡수체의 계산된 흡수 윤곽:a TE 및 b TM 편광. 여기서, 흡수체의 구조적 매개변수는 p로 설정됩니다. =200 nm, w =60 nm, h ₁ =20 nm, h ₂ =250 nm 및 h ₃ =200 nm

흡수 피크의 전자기장 분포는 FP 및 VP 공명의 흡수 특성에 대한 더 많은 통찰력을 제공합니다. 다양한 흡수 피크 파장에 대해 계산된 공간 전기장(상단 패널)과 자기장(하단 패널) 분포가 그림 4(직사광 입사)에 나와 있습니다. FP 공진 모드(372 nm, 546 nm, 1113 nm)의 경우 전기장과 자기장이 중간층에 국한되어 증폭되며 특정 패턴에 따라 서로 다른 공진 차수가 형성됩니다. 전기장 및 자기장 패턴에서 1차 공진 모드는 1113 nm에서, 2차 공진 모드는 546 nm에서, 3차 공진 모드는 372 nm에서 관찰됩니다. 대조적으로, 635 nm에서 VP 모드의 경우, 전기장은 그림 4c와 같이 구멍 가장자리에서 크게 향상되고 국한됩니다. 입사광과 비교하여 최대 전계 강도 |E | ² "핫스팟"이 2284배 향상됩니다. 강력하게 증가된 전기장 강도는 많은 잠재적인 응용 분야에 유용합니다. 또한 자기장 분포는 자기장이 주로 상부 캐비티 경계면 근처에 국한되어 VP 모드의 국부적인 특성과 일치함을 보여줍니다(그림 4g 참조).

전기의 계산된 공간 필드 분포(a –d ) 및 자기(e –h ) 일반 광 입사에 대한 필드. 입사광의 파장은 372 nm(a , e ), 546 nm(b , f ), 635 nm(c , 지 ) 및 1113 nm(d , h ). 검은색 점선은 구조의 단면을 나타냅니다. 여기서 구조체의 매개변수는 p로 설정됩니다. =200 nm, w =60 nm, h ₁ =20 nm, h ₂ =250 nm, h ₃ =200 nm 및 ε ₂ =3.1

특정 조건에서 FP 및 VP 공진은 서로 결합하여 강력한 하이브리드 모드 특성을 발생시킬 수 있습니다. FP와 VP 공명 사이의 결합을 제안하기 위해 두께 h에 대한 흡수 응답의 의존 ₂ 중간 유전층의 h ₂ 20 ~ 500 nm. 결과는 그림 5a에 나와 있습니다. 유전체 층의 두께가 두꺼워질수록 FP 공진 모드의 파장이 증가하며(검은색 점선), 이는 식 (1)의 예측과 일치한다. (1). FP 공진 파장이 VP 공진 파장(흰색 점선)과 겹치면 FP 및 VP 공진 모드가 하이브리드 FP-VP 공진 모드로 결합됩니다. VP 공진 모드는 특정 조건에서 FP 공진 모드에 가까울 때 사라질 수 있습니다. VP 공진 모드가 없으면 FP 공동 공진에서 강한 흡수가 발생하며, 이는 또한 상단 은층에서 반사된 빛(위상의 반파장 손실이 추가됨)과 에서 반사된 빛 사이의 상쇄 간섭에 해당합니다. 하단 은층. FP 공진 모드의 파장이 VP 공진 모드에 접근하면 먼저 빛이 나노홀 구조에 흡수되어 은 나노홀 근처에서 전도대 전자의 집단 진동을 유도합니다. 그 후, 진동하는 쌍극자로서 나노홀은 위아래로 방사선을 방출할 수 있습니다. 상향 빛은 하향 빛의 반사 성분(하단 은층에 의해 반사됨)과 보강 간섭합니다. 따라서, VP 공진 모드와 FP 공진 모드가 일치하는 경우, 출사광의 상쇄 간섭이 보강 간섭으로 전달될 수 있다. 이 시나리오는 그림 5a에서 강한 반사와 흡수의 부재로 이어집니다(흰색 점선을 따라 파란색 영역 참조). 또한 유전층 두께 h일 때 ₂ 50 nm보다 작으면 VP에 의한 흡수 효율이 낮아지고 파장은 적색편이를 보인다. 유전체 두께가 h일 때 ₂ 가 크게 감소하면 미러 금속 인터페이스를 통한 VP의 이미지가 상단 금속층의 VP와 결합하여 미러 결합 모드 에너지가 감소하고 공진 파장이 증가합니다. 더 강한 거울 결합 효과로 인한 흡수 피크의 적색 편이는 기존 문헌에서도 입증되었습니다[36, 37]. 그림 5b와 같이 상부 금속층 두께의 다양한 두께에 대한 제안된 흡수체의 흡수 응답도 조사되었습니다. 분명히, VP 효과의 공명으로 인한 흡수 피크의 파장은 상단 레이어 두께를 변경하여 쉽게 조정할 수 있습니다. 상단 금속층 두께로 h ₁ 감소하면 흡수 피크는 명백한 적색 편이를 보여 VP 모드가 상단 레이어의 두께에 민감함을 나타냅니다. 또한, 상부 금속층 두께가 감소함에 따라 두 번째 FP 모드는 약간의 적색편이를 나타내고 흡수 피크의 진폭은 점차 감소합니다. 두 번째 FP 공명 모드와 관련된 이 기능은 나노홀 어레이가 없는 순수한 삼중층 흡수체의 기능과 유사합니다[38]. 그러나 상단 레이어 두께가 h로 줄어들면 ₁ =10 nm, 순수한 삼중층 흡수체에는 없는 명백한 피크 분할(약 600 nm)이 있습니다.

아 파장 및 스페이서 층 두께 h의 함수로서 제안된 나노홀 어레이 기반 흡수체에 대해 계산된 흡수 윤곽 ₂ . 검은색 점선은 FP 공진을 나타내고 흰색 점선은 VP 모드를 나타냅니다. 삽입된 이미지는 미러 금속 인터페이스(흰색 대시 라인)에 대한 상단 금속 레이어의 이미지(대시 직사각형)를 보여줍니다. ㄴ h에 따라 제안된 나노홀 어레이 기반 흡수체의 계산된 흡수 ₁ 10에서 30 nm로 변경. ㄷ w의 함수로 제안된 나노홀 어레이 기반 흡수체에 대한 계산된 흡수 윤곽 p와 함께 =200 nm. d p의 함수로 제안된 나노홀 어레이 기반 흡수체에 대한 계산된 흡수 윤곽 w와 함께 =60 nm

VP 특성에 대한 나노홀의 기하학적 효과도 계산됩니다. 그림 5c에서 구멍 격자의 주기 p 200 nm 및 구멍 너비 w로 고정 50에서 150 nm로 변경됩니다. FP 흡수 피크의 경우 w일 때 증가하면 1113 nm에서 1차 모드 공진은 적색편이를 나타내는 반면 546 nm에서 2차 모드와 372 nm에서 3차 모드의 위치는 거의 변경되지 않은 상태로 유지됩니다. 또한, VP 효과의 적색편이는 w의 증가와 함께 목격됩니다. , 전자가 공극의 두 측면 사이에서 진동할 때 더 긴 시간을 경험할 것이기 때문입니다(홀 너비 w 충분히 크면 두 보이드 사이의 근거리 커플링도 나타날 것입니다[39]). 그림 5d에는 VP 효과의 흡수 특성에 대한 격자 기간의 영향이 표시되어 있습니다. 여기, w 60 nm 및 p로 고정 100에서 500 nm로의 변화. FP 공명 흡수 피크의 경우 p일 때 증가하면 1113 nm에서의 1차 공진 모드는 p일 때 적색 편이를 나타냅니다. 200 nm보다 작고 p일 때 변경되지 않습니다. 200 nm보다 큽니다. 더 작은 p에 대한 적색편이 (p <200 nm)은 p를 갖는 최상층의 유효 중간 굴절률의 변화 때문입니다. (또는 종횡비 w ² /p ² ). 그러나 p일 때 200 nm보다 크면 유효 중굴절률은 작은 기공 크기에 거의 영향을 받지 않습니다. 546 nm의 2차 공진 모드와 372 nm의 3차 공진 모드는 p일 때 이동을 표시하지 않습니다. 변경. 두 번째 FP 모드의 경우 p 300 nm보다 크면 여러 개의 좁은 흡수 피크가 나타나며 이는 PSP 효과에 기인할 수 있습니다. VP 흡수 피크(~ 635 nm)에 관한 경우 redshift가 관찰되고 흡수 효율은 p로 작아집니다. 자랍니다. 나노입자 배열에 기반한 흡수체에서도 유사한 현상이 관찰되었으며 적색편이는 장거리 쌍극자 상호작용에서 비롯됩니다[40]. 또한, 우리는 VP 공명의 강한 결합이 근처의 FP 효과를 억제할 수 있음을 발견했습니다. 이 현상은 w 100 nm 또는 p 이상 그림 5c 및 d에서 알 수 있듯이 150 nm보다 작습니다. 일반적으로 VP 흡수 피크의 적색 편이는 w 또는 p .

VP 모드는 나노홀 근처에 국한되기 때문에 VP 효과에 의해 유도되는 흡수 피크의 위치는 홀의 재료 굴절률에 따라 달라집니다. 이 효과는 주변 유전 상수를 구별하는 센서를 구성하는 데 사용할 수 있습니다. 나노홀의 다양한 재료 굴절률에 대한 반사 스펙트럼이 계산되어 그림 6a에 표시됩니다. 주변 굴절률이 n에서 변경됩니다. =1.332(물) ~ n =1.372(미량 포도당 용액) 간격 Δn =0.01. FP 공명 흡수 피크는 주변 굴절률과 거의 관련이 없습니다. 이에 반해 LSP의 특성과 마찬가지로 VP 흡수 피크는 주변 물질의 굴절률에 의존성을 보인다. 플라즈몬 센서의 성능을 측정하기 위해 성능 지수(FOM)라고 하는 양을 사용할 수 있습니다. FOM은 감도 S로 정의됩니다. _λ 선폭 Γ으로 나눈 값; 여기, S _λ 종종 단순히 Δλ로 표시됩니다. /RIU(굴절률의 단위 변화당) 및 Γ 반치의 전체 너비(FWHM)입니다. 계산에서 Δn을 사용하여 더 미세한 미분 지수를 사용합니다. =0.01 n =1.332, n =1.342, n =1.352 및 n =1.362. 그림 6b는 굴절률 단위당 파장 이동 측면에서 최대 감도가 ≈ 186 nm/RIU임을 보여줍니다. 우리의 경우 VP 모드의 공진 선폭은 ≈ 59 nm이고 최대 FOM ≈ 3.16으로 이어집니다. 우리 연구의 FOM 값은 금속 나노입자[33, 34](실험 FOM =0.8–5.4)를 기반으로 하는 보고된 장치와 이론적 FOM 값이 2[41]인 최근 보고된 금속 격자 구조와 호환됩니다. 그러나 이는 고도로 복잡한 나노구조에 의해 달성된 이론적 결과보다 훨씬 낮습니다[42, 43].

아 구멍의 굴절률을 갖는 제안된 나노홀 어레이 기반 흡수체의 수직 입사 반사 스펙트럼(n ) 1.332에서 1.372로 변경. 구조 및 재료 매개변수는 h로 설정됩니다. ₁ =20 nm, h ₂ =250 nm, h ₃ =200 nm, ε ₂ =3.1, p =200 nm 및 w =60 nm. ㄴ 반사 딥의 위치와 구멍의 굴절률의 함수로 계산된 FOM(n =1.332–1.362)