Bài viết trình bày tính chất cộng hưởng ánh sáng của các lưỡng cực plasmonic nano anten với các dạng hình học khác nhau, đó là cấu trúc hình chữ nhật (rectangular), hình vuông (square), và hình tròn (circular).
Trang 1TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN Số 8(33) - Tháng 10/2015
Tính hấp thụ ánh sáng của các Plasmonic Nano Anten
cĩ cấu trúc hình học khác nhau
Optical absorption characteristics of plasmonic nano anten with different
geometries
1
CN Nguyễn Thị Thanh Kiều, 2 ThS Hứa Thị Hồng Yến, 3 ThS Huỳnh Văn Tuấn,
123 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQG TP.HCM
4
TS Nguyễn Trương Khang
4 Trường Đại học Tơn Đức Thắng
1
B.A Nguyen Thi Thanh Kieu, 2 M.Sc Hua Thi Hoang Yen, 3 M.Sc Huynh Van Tuan,
123
The University of Science – National University Ho Chi Minh City
4
Ph.D Nguyen Truong Khang
4
Ton Duc Thang University
Tĩm tắt
Trong bài báo này, chúng tơi trình bày tính chất cộng hưởng ánh sáng của các lưỡng cực plasmonic nano anten với các dạng hình học khác nhau, đĩ là cấu trúc hình chữ nhật (rectangular), hình vuơng (square), và hình trịn (circular) Phổ hấp thụ và phản xạ của từng cấu trúc nano anten được khảo sát và tối ưu hĩa tại tần số 375THz, tương ứng với bước sĩng 800nm của nguồn kích thích Kết quả mơ phỏng cho thấy, cấu trúc hình trịn cho độ tập trung và giam hãm điện trường tại vùng kích thích cao nhất, đồng thời cho hệ số phản xạ và phát xạ trường xa tốt nhất, trong sự so sánh giữa các cấu trúc Nghiên cứu này hữu ích cho các nhà thiết kế trong việc lựa chọn các cấu trúc lưỡng cực plasmonic nano anten thích hợp khi muốn kết hợp với anten quang dẫn nhằm tăng hiệu suất trong hệ thu/phát sĩng Terahertz
Từ khĩa: hiện tượng cộng hưởng plamon bề mặt, nano anten, sự hấp thụ, sự phản xạ, phát xạ trường
xa…
Abstract
In this paper, we investigate the optical absorption characteristics of plasmonic dipole nano antenna with different geometries; they are rectangular dipole, square dipole, and circular dipole Absorption and reflection profile of each nano antenna are characterized and optimized at the resonance frequency
of 375 THz, which corresponding to the wavelength of the incident light at 800 nm Numerical results show that the circular nano antenna produces the most enhanced electric field at the excitation gap in addition with the best reflection and far-field radiation characteristics
This research is useful for the researcher and designer in chossing appropriate plasmonic dipole nano antennas when incorporating with a photoconductive antenna for terahertz radiation enhancement
Keywords: surface plasmon resonance, nano-antenna, absorption, reflection, far-field radiation…
Trang 21 Mở đầu
Hiệu ứng giam cầm lượng tử trong các
vật liệu kích thước nanomet khiến cho vật
liệu có các tính chất đặc biệt như hiệu ứng
bề mặt, hiệu ứng kích thước, hiệu ứng cộng
hưởng plasmon… Khi các điện tử tự do
trong cấu trúc nano (nanostructure) hấp thụ
ánh sáng chiếu vào dẫn đến hiện tượng
được gọi là hiện tượng cộng hưởng
plasmon bề mặt định xứ (LSPR- Localized
surface plasmon resonance) [1], [2], [3], [4] Dưới tác dụng của điện từ trường bên ngoài như ánh sáng sẽ dẫn đến sự dao động tập thể của các điện tử tự do, và theo đó dẫn đến sự phân cực của các hạt nano thành một lưỡng cực điện Tần số cộng hưởng của lưỡng cực này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình dáng và độ lớn của cấu trúc nano, lớp vật liệu đế, hay độ phân cực của ánh sáng kích thích
Au SiO 2
Side View
T gold
g
T
x
z
y
g
L R
W R
Top View
SiO 2
x y
z
g
L S
W S
Top View
SiO 2
x
y
z
g Top View
SiO 2
L C
D C
x y
z
Hình 1 (a) Sơ đồ mặt cắt của các plasmonic nano anten; Plasmonic nano anten: (b)
hình chữ nhật (Rectangular); (c) hình vuông (Square); (d) hình tròn (Circular)
Plasmonic nano anten là một loại
anten có kích thước nanomet, do đó nó thể
hiện được các đặc tính đặc biệt của một cấu
trúc nano Một số nghiên cứu mới đây đã
công bố các ứng dụng của plasmonic nano
anten như các bộ thu quang (photodetectors)
[5], diode phát quang [6], [7], các tấm pin năng lượng mặt trời [8], SERS (Surface Raman Scattering) [9], cảm biến sinh học (biosensing) [10], hoặc sử dụng plasmonic nano anten trong anten quang dẫn để tăng cường công suất bức xạ Terahertz (THz)
Trang 3[11], [12], [13] Nhờ hiện tượng cộng
hưởng plasmon bề mặc định xứ (LSPR),
mỗi cấu trúc hình học của nano anten có sự
hấp thụ ánh sáng khác nhau Để có được sự
hấp thụ ánh sáng tới tốt nhất đòi hỏi phải
lựa chọn một cấu trúc nano anten có kích
thước phù hợp Hơn nữa, hiệu suất hoạt
động của anten sẽ là tốt nhất khi tần số
cộng hưởng của chúng gần với tần số
nguồn kích thích Cấu trúc truyền thống
như hình chữ nhật được quan tâm rất nhiều
[14] Tuy nhiên, khi nghiên cứu và kiểm tra
thực nghiệm về các nano anten này các nhà
nghiên cứu chỉ quan tâm đến những kích
thước có thể chế tạo được mà thiếu bước
khảo sát kích thước nào tốt hơn để đưa vào
thực tế Trong bài báo này, chúng tôi sẽ
thực hiện bước thiếu đó và tập trung
nghiên cứu, khảo sát đặc tính hấp thụ của các plasmonic nano anten có các cấu trúc hình học khác nhau, đó là cấu trúc hình chữ nhật, hình vuông và hình tròn Tất cả các cấu trúc được kích thích bằng ánh sáng tới
có bước sóng 800nm (ứng với tần số 375THz), là bước sóng chuẩn của chùm ánh sáng được sử dụng trong SERS (Surface Enhanced Raman Scattering) Kết quả mô phỏng bằng cách sử dụng phần mềm mô phỏng CST MWS [15] cho thấy cấu trúc hình tròn cho khả năng giam hãm điện trường tới, đồng thời cho đồ thị phát
xạ trường xa tốt nhất so với các cấu trúc còn lại
2 Các cấu trúc hình học của plasmonic nano anten
SiO 2 Au
Nanoantenna
(Au)
e h
Probe
Vacuum
x
y
z
SiO 2 Au
Vacuum
Waveguide Port 1 Nanoantenna
(Au)
1
2
Waveguide Port 2 Vacuum
x y
Hình 2 Mô hình mô phỏng dùng để; a) quan sát điện trường giam hãm tại vùng kích thích;
b) tính hệ số phản xạ của một mảng vô hạn hai chiều
Hình 1 biểu diễn mặt cắt ngang (side
view) và cấu trúc hình học của ba cấu trúc
nano anten nhìn từ phía trên (top view)
gồm có: cấu trúc hình chữ nhật
(rectangular), cấu trúc hình vuông (square),
và cấu trúc hình tròn (circular) Hình 1a
biểu diễn mặt cắt ngang của cấu trúc nano anten, cả ba cấu trúc nano anten được chế
tạo từ vàng (Au) có bề dày là T gold, các cấu trúc được ngăn cách với lớp đế vàng (Au) bởi một lớp bán dẫn loại SiO2 có bề dày
được ký hiệu chung là T, khoảng cách
Trang 4vùng kích thích (gap) nằm ở giữa hai điện
cực của cả ba cấu trúc được ký hiệu là g
Hình 1b, 1c, và 1d biểu diễn cấu trúc hình
học của nano anten hình chữ nhật, hình
vuông, và hình tròn tương ứng, trong đó
chiều rộng và tổng chiều dài của cấu trúc
nano anten hình chữ nhật được ký hiệu là
W R và L R Chiều rộng và tổng chiều dài của
cấu trúc nano anten hình vuông được ký
hiệu là W S và L S Đường kính và tổng chiều
dài của cấu trúc nano anten hình tròn được
ký hiệu là D C và L C Bề dày lớp SiO2 của
cấu trúc hình chữ nhật, hình vuông, và hình
tròn lần lượt được ký hiệu là T R , T S , và T C
Trong một mảng vô hạn, các nano anten của cả ba cấu trúc cách nhau một khoảng
được ký hiệu là P R , P S , và P C tương ứng với cấu trúc hình chữ nhật, hình vuông, và hình tròn Các thông số thiết kế của cả ba cấu trúc nano anten sau khi tối ưu hóa tại vùng tần số 375THz như sau: cấu trúc hình
chữ nhật (W R = 35nm, L R = 174nm, T R =
100nm, và P R = 550nm); cấu trúc hình
vuông (W S = 78nm, L S =166nm, T S =
40nm, và P S = 600nm); cấu trúc hình tròn
(D C = 94nm, L C = 198nm, T C = 60nm, và
P C = 590nm); trong đó g = 10nm và T gold = 25nm chung cho cả ba cấu trúc
3 Mô phỏng bằng phần mềm CST MWS
-120
-90
-60
-30
0
30
'
''
Frequency (THz)
-60 -48 -36 -24 -12 0 12
2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5
'
''
Frequency (THz)
0.0 1.0x10 -6 2.0x10 -6 3.0x10 -6 4.0x10 -6 5.0x10 -6
Hình 3 Đồ thị điện tử tán xạ (electric dispersion curves) của (a) vàng (Au) và (b) SiO2
trong dải tần số từ 200 THz đến 500THz
Trong bài báo này, phần mềm CST
MWS (CST Microwave Studio) [15]
được sử dụng để mô phỏng các đặc tính
của các cấu trúc nano anten Hình 2a
biểu diễn mô hình tính toán đặc tính
hấp thụ năng lượng của nano anten,
trong đó nguồn kích thích được sử dụng
là sóng ánh sáng phẳng (plane wave)
chiếu từ trên xuống, cường độ điện
trường của ánh sáng kích thích này
được đặt ban đầu là 1V/m và được phân cực dọc theo trục chính (trục x) của các nano anten Một đầu dò (probe) được đặt tại giữa hai điện cực của nano anten (vùng kích thích) để thu năng lượng và thể hiện tính chất giam hãm điện trường tăng cường của cấu trúc Mô hình này cũng cho phép ta quan sát đồ thị phát xạ trường xa của nano anten Đặc tính phản xạ của nano anten với cấu trúc
Trang 5mảng hai chiều vô hạn được mô phỏng
bằng cách sử dụng mô hình ống dẫn
sóng hai cổng như mô tả trong hình 2b
Trong mô hình này, hai điều kiện biên
điện trường và từ trường lần lượt được
áp vào dọc theo hướng ±x và ±y nhằm
mô phỏng sự truyền sóng theo hướng
chuẩn vuông góc trong mô hình ống
dẫn sóng này Hình 3 biểu diễn đồ thị
điện tử tán xạ (electric dispersion curves) của vật liệu vàng (Au) và SiO2 tại vùng tần số khảo sát từ 200THz đến 500THz Mô hình tán xạ của vật liệu vàng và SiO2 này được xác định trong thư viện vật liệu của CST MWS và được so khớp với các giá trị thực nghiệm đã được công bố bởi các nhóm nghiên cứu khác
4 Kết quả và thảo luận
0
30
60
90
120
Frequency (THz)
Rectangular
Reference [14]
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Frequency (THz)
Rectangular Reference [14]
(c)
Hình 4 (a)-(b) Kết quả mô phỏng về phổ
năng lượng hấp thụ và kết quả mô phỏng phổ phản xạ của cấu trúc hình chữ nhật tham chiếu [14] và cấu trúc hình chữ nhật có các thông số thay đổi để tối ưu hóa hiệu suất hấp thụ tại 375 THz; c) kết quả thực nghiệm về phổ phản xạ của mảng nano anten hình chữ nhật khi thay đổi TSiO2 trong [14]
Trang 67 8 9 10 11 12
350
360
370
380
390
400
Fpeak
Epeak
g (nm)
F peak
100 130 160
190
350 360 370 380 390 400
Fpeak
Epeak
F peak
100 110 120 130
k (V/m)
350
360
370
380
390
400
Fpeak
Epeak
F peak
100 110 120 130
350 360 370 380 390 400
Fpeak
Epeak
F peak
100 110 120 130
Hình 5 Khảo sát tần số cộng hưởng Fpeak và điện trường giam hãm tại vùng kích thích
Epeak tương ứng khi thay đổi các thông số thiết kế của nano anten hình tròn; (a) kích thước vùng kích thích g, (b) độ dày TC của lớp bán dẫn SiO2, (c) tổng chiều dài LC,(d) khoảng
cách PC giữa các nano anten đơn vị trong mảng vô hạn
Đối với cấu trúc hình chữ nhật, đã có
nhiều nhóm nghiên cứu về cấu trúc này,
điển hình như nhóm nghiên cứu của T J
Seok cùng cộng sự đã chứng minh thực
nghiệm [14] Trong cấu trúc tham chiếu
này, chiều rộng và tổng chiều dài của nano
anten là 45nm và 260nm, bề dày lớp kim
loại vàng của cấu trúc là 25nm, kích thước
vùng kích thích (gap) là 15nm, bề dày lớp
bán dẫn SiO2 là 60nm, và khoảng cách
giữa các nano anten trong mảng vô hạn là 600nm Dưới sự kích thích của ánh sáng tới có bước sóng 800nm, cấu trúc này thu được đỉnh phổ năng lượng 85,6V/m tại tần
số cộng hưởng khoảng 320THz, cách khá
xa tần số cộng hưởng của ánh sáng kích thích (375THz) Vì vậy, từ cấu trúc trên
chúng tôi tìm cách đưa đỉnh phổ năng lượng về tần số 375THz bằng cách thay đổi các thông số của cấu trúc Kết quả chúng
Trang 7320 340 360 380 400 420
0
40
80
120
160
Frequency (THz)
Rectangular
Square
Circular
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Frequency (THz)
Rectangular Square Circular
Hình 6 a) Điện trường giam hãm tại vùng kích thích theo hàm tần số và (b) hệ số phản xạ
theo hàm tần số của ba cấu trúc: hình chữ nhật (Rectangular), hình vuông (Square) và hình
tròn (Circular)
tôi thu được đỉnh phổ năng lượng cao nhất
khoảng 110,3V/m tại tần số cộng hưởng
374,9THz được biểu diễn ở hình 4a, trong
đó các thông số hình học của cấu trúc thay
đổi tương ứng gồm chiều rộng (W R) và
tổng chiều dài (L R) của nano anten là 35nm
và 174 nm tương ứng, bề dày lớp kim loại
(T gold) của cấu trúc là 25nm, kích thước
vùng kích thích (g) là 10nm, bề dày lớp
bán dẫn SiO2 là 100nm, và khoảng cách
giữa các nano anten trong mảng vô hạn là
550nm Như vậy, sau khi thay đổi các
thông số chúng tôi thu được đỉnh phổ năng
lượng cao hơn đỉnh phổ năng lượng của
cấu trúc hình chữ nhật do T J Seok cùng
cộng sự thực hiện [14], trong đó tần số
cộng hưởng thu được tương ứng 374,9THz
gần với tần số của nguồn kích thích
(375THz) Hình 4b chứng tỏ hệ số phản xạ
của cấu trúc trong [14] nhỏ hơn hệ số phản
xạ của cấu trúc hình chữ nhật đã được tối
ưu, tuy nhiên tần số cộng hưởng tương ứng
lại cách xa so với tần số của ánh sáng kích
thích Hình 4c là kết quả thực nghiệm do T
J Seok cùng cộng sự thực hiện, so với kết quả mô phỏng tần số cộng hưởng trong thực nghiệm khoảng xấp xỉ 345THz (tức
là λ=870nm, trường hợp 60nm SiO2), trong
đó độ phản xạ (khoảng 0,45) lớn hơn nhiều
so với mô phỏng (khoảng 0,02) Điều này
có thể được giải thích do các điều kiện sử dụng trong mô phỏng là lý tưởng, còn
trong thực nghiệm có thể do nhiều yếu tố ảnh hưởng như vật liệu chế tạo, hệ đo, điều kiện môi trường xung quanh,… khiến cho
độ phản xạ thực nghiệm không tốt bằng độ phản xạ mô phỏng Kết quả ban đầu này cho chúng tôi rút ra hai điều Một là, khẳng định tính đúng đắn của mô hình mô phỏng qua sự so sánh tần số đỉnh phổ hấp thụ trong mô phỏng, và tần số cộng hưởng trong thực nghiệm được trình bày trong hình 4c Hai là, bằng cách khảo sát và tối
ưu hóa dạng hình học của nano anten, ta có thể tăng hiệu suất hấp thụ tại tần số cộng hưởng mong muốn Trong ba cấu trúc nano anten được khảo sát, chúng tôi chọn cấu trúc hình tròn để trình bày hồi đáp của
Trang 8anten theo tần số khi thay đổi các thông số
thiết kế, hai cấu trúc còn lại khảo sát tương
tự Chúng tôi tiến hành khảo sát cấu trúc
hình tròn bằng cách thay đổi các thông số
như g, T C , L C , và P C để được cấu trúc tốt
nhất Hình 5a cho thấy, thông số khoảng
cách vùng kích thích g ảnh hưởng rất nhiều
đến điện trường giam hãm tại tần số cộng
hưởng Epeak Khi khoảng cách vùng kích
thích này càng bị thu hẹp, tần số cộng
hưởng Fpeak càng giảm, nhưng điện trường
giam hãm tại vùng kích thích Epeak tăng lên
đáng kể Điều này cho thấy, ta có thể tăng
độ giam hãm điện trường lên đáng kể nếu
có thể thu hẹp khoảng cách vùng kích thích
này, ví dụ như Epeak có thể đạt đến gần
400V/m khi g giảm xuống đến 7nm Trong
cấu trúc tối ưu hóa, chúng tôi chọn g =
10nm vì hai lý do sau: thứ nhất, khoảng
cách g = 10nm cho Epeak tối đa tại tần số
cộng hưởng gần với tần số sóng tới
(375THz) nhất Thứ hai, nếu g quá nhỏ sẽ
gây khó khăn nhiều trong quá trình chế tạo,
chẳng hạn như gây ra hiện tượng ngắn
mạch giữa 2 điện cực và như thế giảm hiệu
suất tổng của cả mảng Hình 5b cho thấy
khi độ dày T C của lớp bán dẫn SiO2 thay
đổi, cả Fpeak và Epeak đều thay đổi đáng kể,
và thể hiện tính cộng hưởng Cụ thể, khi T C
tăng từ 20nm đến 100nm với bước tăng là
20nm, Fpeak tăng nhưng sau đó giảm, và
tương tự Epeak tăng nhưng sau đó cũng
giảm Tại giá trị T C = 60nm, ta quan sát thấy Fpeak gần với tần số mong muốn 375THz nhất, và tại đó Epeak cũng cho giá trị cực đại Tính chất này khá là thú vị, đã được kiểm chứng trong [14], và được nói rằng, khoảng cách từ nano anten đến bề mặt phản xạ (lớp đế Au) phải được chọn thỏa mãn điều kiện cộng hưởng khi ta xem lớp vật liệu bán dẫn SiO2 như một hốc cộng hưởng Fabry- Perot Theo đó, tùy vào chiết suất của vật liệu bán dẫn, ta sẽ có những độ dày khác nhau Hình 5c cho thấy
khi L C tăng thì Fpeak giảm, điều này phù hợp với lý thuyết rằng, chiều dài anten tỷ lệ nghịch với tần số hoạt động của nó Ta có thể tính được bước sóng hiệu dụng theo
(1) trong đó, c là vận tốc ánh sáng
3×108m/s, f o là tần số cộng hưởng
(~375THz), và ε eff là điện môi hiệu dụng của SiO2 (~2.4) Theo đó, bước sóng hiệu dụng sẽ vào khoảng 500nm Theo lý thuyết, anten có chiều dài vào khoảng ½ bước sóng hiệu dụng này (L~
~250nm) sẽ cho mode cộng hưởng đầu tiên Kết quả sau khi tối ưu hóa đã cho
ra L C ~ 200nm, như vậy là ngắn hơn chiều dài tính toán lý thuyết Điều này có thể lý giải rằng, do trong cấu trúc khảo sát có sử
x
y
z
V/m 20
0
17.6 15.2 12.7 10.3 7.88 5.45 3.03
x
y z
V/m 20
0
17.6 15.2 12.7 10.3 7.88 5.45 3.03
x
y z
V/m 20
0
17.6 15.2 12.7 10.3 7.88 5.45 3.03
(a) (b) (c)
Hình 7 Phân bố điện trường tại tần số cộng hưởng của các cấu trúc nano anten;
a) cấu trúc hình chữ nhật; b) cấu trúc hình vuông; c) cấu trúc hình tròn
Trang 9x y z
dBm2 -118 -127 -133 -139 -145 -152 -158
x y z
dBm2 -118 -127 -133 -139 -145 -152 -158
x y z
dBm2 -118 -127 -133 -139 -145 -152 -158
Hình 8 Phổ phát xạ trường xa tại tần số cộng hưởng của các cấu trúc nano anten;
a) cấu trúc hình chữ nhật; b) cấu trúc hình vuông; c) cấu trúc hình tròn
dụng mặt phẳng đế (Au), theo đó chiết suất
hiệu dụng của cả cấu trúc tăng lên, làm cho
bước sóng hiệu dụng bị thu ngắn lại Nhờ
mặt phẳng đế này, và nhờ hiện tượng tăng
chiết suất hiệu dụng này, trường điện từ bắt
cặp từ nano anten vào lớp SiO2 tăng lên
đáng kể, và theo đó tăng tính hấp thụ ánh
sáng tới Bên cạnh đó, cấu trúc hình học
dạng hình tròn cũng phần nào thu ngắn
chiều dài của lưỡng cực điện Xét về độ
giam hãm điện trường, ta thấy chiều dài
của nano anten ảnh hưởng không đáng kể
khi Epeak chỉ thay đổi ít xung quanh giá trị
125V/m Cuối cùng, hình 5d cho thấy khi
chiều rộng P C của lớp bán dẫn SiO2 (cũng
là chiều rộng của mặt phẳng phản xạ) tăng,
tần số cộng hưởng Fpeak giảm, tuy nhiên
điện trường giam hãm tại vùng kích thích
Epeak tăng Việc tăng chiều rộng của lớp
bán dẫn sẽ dẫn đến sự tăng chiết suất hiệu
dụng của cả cấu trúc Theo đó, tần số cộng
hưởng sẽ giảm, và độ giam hãm tập trung
điện trường sẽ tăng do sóng tới được hấp
thụ vào lớp bán dẫn này nhiều hơn Do tần
số cộng hưởng mong muốn xung quanh
vùng 375THz, giá trị P C cho cấu trúc sau
cùng được chọn vào khoảng 590nm Qua
việc khảo sát các thông số thiết kế của cấu
trúc hình tròn, ta có thể rút ra kết luận rằng,
diện tích vùng kích thích hay khoảng cách
giữa hai điện cực ảnh hưởng đáng kể đến cường độ điện trường giam hãm, trong khi chiều dài của lưỡng cực quyết định tần số cộng hưởng của nano anten Quan trọng hơn, độ dày của lớp bán dẫn phải được chọn thích hợp nhằm tối ưu hóa điện trường tăng cường nhờ vào cơ chế hoạt động như một hốc cộng hưởng Fabry-Perot Các tính chất này được cho rằng sẽ thể hiện một cách tương tự đối với cấu trúc nano anten hình vuông cũng như nano anten hình chữ nhật Theo đó, sau khi tối
ưu hóa từng cầu trúc, chúng tôi thu được kết quả như sau: cấu trúc nano anten hình chữ nhật cho cho đỉnh phổ điện trường giam hãm có giá trị 110,3V/m tại tần số cộng hưởng là 374,9THz; cấu trúc nano anten hình vuông cho cho đỉnh phổ điện trường giam hãm có giá trị 92,2V/m tại tần
số cộng hưởng là 372,8THz; cấu trúc nano anten hình tròn cho cho đỉnh phổ điện trường giam hãm có giá trị 125V/m tại tần
số cộng hưởng là 374,3THz, xem thêm ở bảng 1 Hình 6 biểu diễn hồi đáp theo hàm tần số của điện trường giam hãm tại vùng kích thích và của hệ số phản xạ trong sự so
sánh giữa ba cấu trúc đang khảo sát Kết quả cho thấy, tần số cộng hưởng của điện trường giam hãm, hình 6a, gần như trùng với tần số cho hệ số phản xạ cực tiểu, hình
Trang 106b Kết quả này cho thấy rằng, các cấu trúc
khảo sát hoạt động tốt ở tần số mong muốn
là 375THz, và theo đó sẽ hấp thụ ánh sáng
tối đa tại tần số này Đánh giá tổng quát
rằng, cấu trúc hình tròn cho cường độ điện
trường giam hãm tập trung tại vùng kích
thích cao nhất, đồng thời cấu trúc hình tròn
cũng cho hệ số phản xạ tốt nhất, gần như
không có phản xạ, so với hai cấu trúc còn
lại Điều này phần nào giải thích sự ưa
chuộng khi sử dụng các chấm lượng tử
quang học trong việc tăng cường tính hấp
thụ ánh sáng tới trong các thiết kế gần đây
Hình 7 và 8 lần lượt mô tả phân bố điện
trường quan sát tại trường gần (near-field)
và đồ thị phát xạ trường xa (far-field) của
ba cấu trúc nano anten đang khảo sát Ta thấy, điện trường phân bố tập trung tại vùng kích thích và hai đầu cuối của nano anten như thường thấy trong các lưỡng cực điện ở tần số thấp Đồ thị phát xạ trường xa của cấu trúc hình tròn được đánh giá là tốt nhất so với hai cấu trúc hình chữ nhật và hình vuông Quan sát ta thấy, phát xạ ngược (back-radiation) trong đồ thị phát xạ trường xa của cấu trúc hình tròn là thấp nhất Kết hợp với các kết quả khác (xem bảng 1), ta rút ra kết luận cấu trúc lưỡng cực nano anten hình tròn cho hiệu suất hấp thụ ánh sáng tốt nhất so với cấu trúc lưỡng cực nano anten hình chữ nhật và cấu trúc lưỡng cực nano anten hình vuông
Bảng 1: So sánh các thông số đầu ra của các cấu trúc lưỡng cực nano anten
F peak (THz)
Điện trường tăng cường
E peak (V/m)
Hệ số phản
xạ (%)
Đồ thị phát xạ
5 Kết luận
Trong bài báo này, chúng tôi khảo sát
ba cấu trúc lưỡng cực nano anten hình chữ
nhật, hình vuông, và hình tròn, và đánh giá
tính chất của chúng qua tính giam hãm
điện trường, hệ số phản xạ, phân bố trường
gần, và phát xạ trường xa Quá trình tối ưu
hóa cho thấy khoảng cách giữa hai đơn cực
điện, hay gọi là diện tích vùng kích thích,
ảnh hưởng nhiều đến tính giam hãm điện
trường tăng cường của nano anten, trong
khi chiều dài lưỡng cực quyết định tần số
cộng hưởng của nano anten Bên cạnh đó,
lớp bán dẫn kết hợp với mặt phẳng phản xạ
đã hoạt động như một hốc cộng hưởng
Fabry-Perot và theo đó, bề dày của lớp vật liệu này phải được chọn một cách thích hợp thỏa điều kiện cộng hưởng Đánh giá tổng quát, cấu trúc nano anten hình tròn nổi trội về tất cả các tính chất so với hai cấu trúc còn lại Cụ thể, cấu trúc nano anten hình tròn cho điện trường giam hãm tăng cường tại vùng kích thích cao nhất, cho hệ
số phản xạ thấp nhất, và đồng thời cũng cho đồ thị phát xạ trường xa tốt nhất Nghiên cứu này cung cấp cho các nhà nghiên cứu lý thuyết cũng như thực nghiệm các thông tin hữu ích về quá trình chọn và tối ưu hóa các lưỡng cực nano anten một cách hợp lý, từ đó áp dụng vào
