[論文レビュー] Scattering Suppression and Absorption Enhancement in Contour Nanoantennas

E. Doruk Onal, Kaan Güven|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2015

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 13被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、固体ダイポールを輪郭形状に再設計することで、中空部を導入することにより、プラズモン的ダイポールナノアンテナにおける散乱を抑制すると同時に吸収を強化する、輪郭ナノアンテナの設計を提案する。固体ダイポールを輪郭形状に変形させることで、散乱は結合された電力の84%から28%に低下し、吸収は16%から72%に上昇する。これにより、散乱を抑えるが消滅断面積を変更しないまま、アンテナは散乱体から強力な吸収体に変化する。

ABSTRACT

The expanding application spectrum of plasmonic nanoantennas demand versatile design approaches to tailor the antenna properties for specific requirements. The design efforts primarily concentrate on shifting the operation wavelength or enhancing the local fields by manipulating the size and shape of the nanoantenna. Here, we propose a design path to control the absorption and scattering characteristics of a dipole nanoantenna by introducing a hollow region inside the nanostructure. The resulting contour geometry can significantly suppress the scattering of the dipole nanoantenna and enhance its absorption simultaneously. Both the dipole and the contour dipole nanoantenna couple to equivalent amount of the incident radiation. The dipole nanoantenna scatters 84% of the coupled power (absorbs the remaining 16%) whereas the contour dipole structure scatters only 28% of the coupled power (absorbs the remaining 72%). This constitutes the transformation from scatter to absorber nanoantenna. The scattering of a contour nanoantenna can be further suppressed by incorporating a lossless dielectric in the hollow region without altering its absorption. We also demonstrate the applicability of scattering suppression and absorption enhancement features of the contour design in other nanoantenna geometries such as the self-assembly compatible nanoantenna structures of nanodisk and nanoring chains. The benefits of the contour design can be readily utilized in diverse applications; including bioplasmonics, medical diagnosis/therapy, cloaked sensing, photovoltaics and thermoplasmonics.

研究の動機と目的

• 多様な応用分野における、散乱と吸収特性を調整可能なプラズモン的ナノアンテナのニーズに対応する。
• 従来のナノアンテナ設計では散乱と吸収の両方を同時に最適化できないという制限を克服する。
• 従来のダイポールナノアンテナを最小限の変更で高吸収型に変換する幾何学的設計戦略を開発する。
• 散乱を最小限に抑えつつ電場結合を維持することで、生物学的環境における低干渉センシングを可能にする。
• 自己集合ナノアンテナ系、例えばナノディスクおよびナノリングチェーンへの輪郭設計原理の拡張を図り、サブ波長応用を実現する。

提案手法

• 固体ダイポール構造の内部に中空領域を導入することで、同一の全体的フットプリントを維持した輪郭ダイポールナノアンテナを設計する。
• 有限差分時間法（FDTD）を用いて、可視光から近赤外域にわたるスペクトル範囲で消滅断面積、散乱断面積、吸収断面積を計算する。
• 散乱抑制の定量的評価のため、散乱断面積と消滅断面積の比である相対的散乱効率（RSE）を定義する。
• 中空領域に損失のない誘電体材料を挿入することで、吸収を変更せずに散乱をさらに抑制する。
• 固体ナノ粒子をナノディスクおよびナノリングに置き換えることで、自己集合系への輪郭幾何の拡張を実施する。
• ダイポール、ナノディスクチェーン、ナノリングチェーン構造の消滅、散乱、吸収スペクトルを比較し、性能向上を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダイポールナノアンテナの幾何学的変更により、散乱を抑制すると同時に吸収を強化することは可能か？
• RQ2 消滅断面積を変更せずに、プラズモン的ナノアンテナにおける散乱をどの程度低減し、吸収を増大させることができるか？
• RQ3 中空領域に損失のない誘電体を挿入することで、輪郭ナノアンテナの散乱と吸収にどのような影響が生じるか？
• RQ4 輪郭設計原理は、ナノディスクおよびナノリングチェーンのような自己集合ナノアンテナ系へ拡張可能か？
• RQ5 本設計は、クローキングセンシングや熱プラズモニクスなど、低散乱・高吸収を要する応用分野にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 輪郭ダイポールナノアンテナでは、散乱が結合電力の84%から28%に低下し、吸収が16%から72%に上昇し、散乱体から吸収体への変換が達成された。
• 消滅断面積はほとんど変化せず、散乱と吸収の再分配が行われても、アンテナに結合される全電力が保持されていることを示している。
• 中空領域に損失のない誘電体を挿入することで、吸収断面積に変化をもたらさずに散乱がさらに抑制され、放射応答に対する追加の制御が可能になった。
• ナノリングチェーン構造では相対的散乱効率（RSE）が0.28を達成し、輪郭ダイポールと同等の散乱抑制効果を示しており、自己集合系でも効果的な散乱抑制が可能であることを裏付けた。
• ナノディスクチェーンではRSEが0.57を示し、固体ディスクから中空で輪郭状の幾何形状に置き換えることで、散乱が固体対比で顕著に低減されていることが示された。
• 輪郭設計は、自己集合ナノディスクおよびナノリングチェーンを含む、さまざまなナノアンテナ幾何形状へも適用可能であり、深サブ波長光制御と低散乱動作を実現できる。