[논문 리뷰] Independent engineering of individual plasmon modes in plasmonic dimers with conductive and capacitive coupling

Vlastimil Křápek, Andrea Konečná외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 22.

Plasmonic and Surface Plasmon Research참고 문헌 43인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 볼트바이 및 다이아볼로 나노안테나에서 도전성 결합과 커패시티브 결합 간의 전환을 통해 플라스모닉 다이머 내 개별 플라스몬 모드를 독립적으로 설계하는 것을 보여준다. 바이네르 원리의 활용을 통해 국소 표면 플라스몬 모드의 근접장 분포를 에너지와 무관하게 설계할 수 있으며, 센서, 향상된 방출 및 파노 공명과 같은 애플리케이션을 위한 플라스모닉 공명의 스펙트럼적 및 공간적 특성을 완전히 제어할 수 있다.

ABSTRACT

We revisit plasmon modes in nanoparticle dimers with conductive or insulating junction resulting in conductive or capacitive coupling. In our study, which combines electron energy loss spectroscopy, optical spectroscopy, and numerical simulations, we show the coexistence of strongly and weakly hybridised modes. While the properties of the former ones strongly depend on the nature of the junction, the properties of the latter ones are nearly unaffected. This opens up a prospect for independent engineering of individual plasmon modes in a single plasmonic antenna. In addition, we show that Babinet’s principle allows to engineer the near field of plasmon modes independent of their energy. Finally, we demonstrate that combined electron energy loss imaging of a plasmonic antenna and its Babinet-complementary counterpart allows to reconstruct the distribution of both electric and magnetic near fields of localised plasmon resonances supported by the antenna, as well as charge and current antinodes of related charge oscillations.

연구 동기 및 목표

• 단일 플라스모닉 다이머 구조에서 개별 플라스몬 모드를 독립적으로 제어하는 것.
• 도전성 결합과 커패시티브 결합이 국소 표면 플라스몬(LSP) 모드의 하이브리드화 및 특성에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 바이네르 원리를 활용하여 플라스모닉 근접장의 스펙트럼적 및 공간적 제어를 분리하는 방법을 탐색하는 것.
• 보완 구조에서 EELS를 사용하여 전기장과 자기장 근접장을 재구성하는 것을 보여주는 것.
• 고도로 맞춤화된 필드 핫스팟과 모드 설계를 갖춘 플라스모닉 안테나를 설계하여 고급 응용을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 실리콘 나이트라이드 막 위에 집중 이온 광선(FIB) 및 전자선 리소그래피(EBL)를 사용하여 플라스모닉 다이머(볼트바이, 다이아볼로, 반전형)를 제작하였다.
• 5 nm 픽셀 해상도와 0.1 eV 에너지 창을 갖춘 전자 에너지 손실 분석(EELS)을 수행하여 손실 확률를 매핑하고 근접장 분포를 유추하였다.
• 가시광선에서 적외선 범위에 걸쳐 광학적 반응을 검증하기 위해 EELS를 카타도루미네센스 및 투과 스펙트로스코피와 융합하였다.
• COMSOL에서 유한요소법(FEM) 시뮬레이션을 사용하여 전자기장 모델링과 실험 스펙트럼 재현을 수행하였다.
• 바이네르 원리를 적용하여 직접 금속 안테나와 그 보완형 개구부 구조 간의 관계를 설정하고, 전기장과 자기장 간의 상호 재구성 가능성을 확보하였다.
• 직접 안테나와 보완형 안테나의 실험적 EEL 맵을 상호 연계하여 Ez(전기장) 및 Bz(자기장) 분포를 재구성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다이머 내 개별 플라스몬 모드를 도전성 결합과 커패시티브 결합 간의 결합 메커니즘을 변경시켜 독립적으로 설계할 수 있는가?
• RQ2 강하게 하이브리드화된 모드는 약하게 하이브리드화된 모드와 비교해 도전성 결합과 커패시티브 결합에 대해 어떻게 다르게 반응하는가?
• RQ3 바이네르 원리는 플라스몬 모드의 공진 에너지를 변화시키지 않고 근접장 분포를 얼마나 독립적으로 제어하는 데 활용할 수 있는가?
• RQ4 플라스모닉 안테나와 그 바이네르 보완 구조의 조합 EELS을 통해 국소 플라스몬 공명의 전기장과 자기장을 동시에 재구성할 수 있는가?
• RQ5 모드 하이브리드화(결합/반결합)는 다이머에서 접합 유형에 따라 플라스몬 모드의 감도를 결정짓는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 볼트바이 안테나의 종방향 이중극자 모드(LD)는 접합 유형에 크게 영향을 받는다: 1.67 eV에서 커패시티브 결합일 경우 전기 핫스팟에서 도전성 결합일 경우 자기 핫스팟으로 전환된다.
• 횡방향 이중극자(TD) 및 4중극자(Q) 모드는 도전성 및 커패시티브 결합 간 전환 시 에너지 및 장 분포가 거의 변화하지 않으며, 이는 약한 하이브리드화를 시사한다.
• 바이네르 원리는 근접장 분포의 독립적 설계를 가능하게 하며, 직접 안테나의 전기장은 그 보완 개구부의 자기장과 대응함으로써 두 장의 완전한 재구성 가능성을 제공한다.
• 직접 안테나와 바이네르 보완 구조의 조합 EELS은 전기장과 자기장 근접장을 모두 재구성할 수 있을 뿐 아니라 플라스몬 진동의 전하 및 전류 반절점도 재구성할 수 있다.
• 도전성 접합(다이아볼로)에서 1.67 eV 모드는 강한 외평면 Bz 자기장을 갖는 자기 핫스팟을 보이며, 커패시티브 접합(볼트바이)에서 동일한 모드는 강한 Ez 전기장을 갖는 전기 핫스팟을 보인다.
• 시뮬레이션과 실험 간 뛰어난 일치를 보였으며, 스펙트럼 피크는 각각 1.23 eV(TD), 1.67 eV(LD), 1.95 eV(Q)로 나타나 모드 할당과 하이브리드화 행동을 확인하였다.