[논문 리뷰] Scattering Suppression and Absorption Enhancement in Contour Nanoantennas

E. Doruk Onal, Kaan Güven|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 04.

Plasmonic and Surface Plasmon Research참고 문헌 13인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 고체 이중극자 구조를 윤곽형 기하학으로 재구성함으로써 산란을 억제하고 흡수를 향상시키는 윤곽형 나노안테나 설계를 제안한다. 고체 이중극자에서 빈 공간을 도입함으로써 산란은 연계된 전력의 84%에서 28%로 감소하고, 흡수율은 16%에서 72%로 증가하여, 산란 단위에서 강력한 흡수체로의 전환을 이룬다. 이 과정에서 흡수 단면적은 변화하지 않는다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다양한 응용 분야를 위해 조절 가능한 산란 및 흡수 특성을 갖춘 플라스모닉 나노안테나의 필요성을 해결한다.
• 기존 나노안테나 설계에서 산란 또는 흡수 중 하나에만 중점을 두고 있는 한계를 극복한다.
• 기존 이중극자 나노안테나를 산란 최소화와 함께 높은 흡수 성능을 갖춘 고흡수체로 전환할 수 있는 기하학적 설계 전략을 개발한다.
• 산란을 최소화하면서도 전기장 결합을 유지함으로써 생물학적 환경에서 낮은 간섭을 유도하는 센싱을 가능하게 한다.
• 윤곽형 설계 원리를 자가 조립 나노안테나 시스템, 예를 들어 나노디스크 및 나노링 체인에 확장하여, 마이크로파스케일 응용에 적합하게 한다.

제안 방법

• 고체 이중극자 구조 내에 빈 공간을 도입하여 윤곽형 이중극자 나노안테나를 설계하고, 동일한 총 면적을 유지한다.
• 유한차분시간영역(FDTD) 시뮬레이션을 사용하여 가시광선에서 가까운 적외선 영역에 걸쳐 흡수, 산란, 흡수 단면적을 계산한다.
• 산란 억제 정도를 정량화하기 위해 산란 단면적을 흡수 단면적으로 나눈 상대 산란 효율(RSE)을 정의한다.
• 빈 공간에 손실이 없는 유전체 재료를 삽입하여 산란을 추가로 억제하면서도 흡수 단면적은 변화시키지 않는다.
• 고체 나노입자를 나노디스크 및 나노링으로 대체하여 체인 구조로 구성된 자가 조립 시스템에 윤곽형 기하학을 확장한다.
• 이중극자, 나노디스크 체인, 나노링 체인의 흡수, 산란, 흡수 스펙트럼을 비교하여 성능 향상을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중극자 나노안테나의 기하학적 수정을 통해 산란을 동시에 억제하고 흡수를 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 흡수 단면적을 변화시키지 않고서도 플라스모닉 나노안테나에서 산란을 얼마나 줄이고 흡수를 높일 수 있는가?
• RQ3 빈 공간에 손실이 없는 유전체를 삽입할 경우 윤곽형 나노안테나의 산란과 흡수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 윤곽형 설계 원리는 나노디스크 및 나노링 체인과 같은 자가 조립 나노안테나 시스템으로 확장할 수 있는가?
• RQ5 이 설계가 은폐 센싱 또는 열플라스모닉스와 같은 낮은 산란, 높은 흡수 성능이 요구되는 응용 분야에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 윤곽형 이중극자 나노안테나는 연계된 전력의 산란을 84%에서 28%로 감소시키고, 흡수율은 16%에서 72%로 증가시켜 산란체에서 강력한 흡수체로의 전환을 달성한다.
• 흡수 단면적은 거의 변화하지 않아, 산란과 흡수 간의 전력 재분배가 이루어져도 안테나에 결합되는 총 전력은 유지됨을 나타낸다.
• 빈 공간에 손실이 없는 유전체를 삽입함으로써 산란은 추가로 억제되지만 흡수 단면적은 변화하지 않아, 복사 응답에 대한 추가 제어가 가능해진다.
• 나노링 체인은 상대 산란 효율(RSE)이 0.28을 기록하여 윤곽형 이중극자와 동일한 산란 억제 성능을 보이며, 자가 조립 시스템에서도 효과적인 산란 억제를 입증한다.
• 나노디스크 체인은 RSE가 0.57을 기록하여, 고체 디스크 대비 빈 공간이 있는 고리형 기하학으로 대체할 경우 산란이 크게 감소함을 시사한다.
• 윤곽형 설계는 나노디스크 및 나노링 체인을 포함한 다양한 나노안테나 기하학에 적용 가능하여, 심도 있는 마이크로파스케일 빛 조작과 낮은 산란 작동을 가능하게 한다.