میکروسکوپ نوری نزدیک میدان مبتنی بر آنتن و طیف‌سنجی از زمینه نوری افزایش یافته به‌صورت محلی برای ایجاد نزدیکی نانوساختارهای فلزی-لیزر به عنوان prob محلی استفاده می‌کند. با استفاده از شبیه‌سازی سه بُعدی بر اساس روش عنصر محدود، به مطالعه میدان‌های الکترومغناطیسی نزدیک آنتن مختلف نوری می‌پردازیم و توپولوژی آن را به منظور استخراج یک بهبود قوی در یک محدوده فرکانس انتخاب‌شده، بهینه‌سازی می‌کنیم. نتایج ما دستورالعمل روشنی برای ساخت کارآمد ساختار آنتن و برای بهبود حساسیت طرح میکروسکوپ نزدیک میدان ارائه می‌کند.
معرفی
آنتن‌ها قطعاتی برای دریافت و انتقال امواج الکترومغناطیسی هستند. درحالی‌که آنتن‌ها دستگاه‌های اولیه در برنامه‌های کاربردی فرکانس رادیویی برای مدت طولانی هستند، مفهوم آنتن نوری نسبتاً جدید است. به‌طور یکسان، آنتن‌های نوری اجزای طراحی شده برای انتقال سیگنال‌های بهینه‌ی نوری هستند. محدوده‌ی کاربرد سیگنال جایی است که در آن آنتن نوری به‌احتمال زیاد به عنوان امواج رادیویی مورد استفاده قرار می‌گیرد. پیش از این یک منطقه کاربردی ایجاد شده برای آنتن نوری، میکروسکوپ نوری نزدیک میدان و طیف‌سنجی است. بنابراین آنتن به‌طور موثر انرژی یک موج الکترومغناطیسی را به انرژی موضعی تبدیل می‌کند. مفهوم آنتن نه تنها برای افزایش قدرت سیگنال و حل دوباره‌ی آن استفاده شده است بلکه برای نفوذ نرخ واپاشی تابشمولکول‌ها نیز استفاده شده است. در مرور اجمالی میکروسکوپ نوری نزدیک میدان (SNOM)، آنتن‌های نوری اغلب شامل نوک برش فلز هستند، که توسط یک پرتو لیزی مشخص می‌شوند. نوک به انرژی پرتو لیزر ورودی متمرکز شده است درحالی‌که نور به یک منطقه بسیار موضعی که ابعاد آن اساساً توسط هوشیاری از نوک (در حال حاضر پایین تر از 10 نانومتر) تعریف شده است تمرکز دارد. سپس اثرات فیزیکی چند برابر می‌شود و اغلب تعیین آن سخت است: اثرات ثابت مانند اثر رعدوبرق و همچنین اثرات پویا مانند سطح پلاسمون پلاریتون (SPP). برای مثال، با توجه به اثر رعدوبرق، هر هندسه تیز باید به عملکرد بالایی در الکتریسیته دست یابد، اما در عمل تنها نیمی از راهنمایی‌ها افزایش خوب میدان الکتریکی را نشان می‌دهد حتی اگر آن‌ها به همان اندازه تند باشند. به‌علاوه، افزایش زمینه بستگی به محیط محلی، در شکل نوک و همچنین در آزمایش (شرایط نور) دارد. اخیراً تنها آزمایش‌های فلورسانس مولکول این چالش‌ها را نشان داده‌اند: راهنمایی‌های طلایی برای افزایش فلورسانس ضعیف به دلیل اثر غالب رفع فلورسانس در فواصل کوتاه یافت شده است. یک آنتن نوری خوب قادر به افزایش یک میدان محلی قوی و انرژی پراکندگی پایین است. اخیراً، آنتن نوری خوب برای کاربردهای فلورسانس توسط ذرات کلوئیدی طلا متصل به الیاف شیشه ارائه‌شده است. اما محلی‌سازی و توان افزایش زمینه در حد متوسط است. Anger و همکارانش وابستگی کل فلورسانس را در بررسی فاصله‌ی مولکول اندازه‌گیری کردند. همان‌گونه که مولکول فاصله کاهش می‌یابد، ابتدا نرخ فلورسانس با توجه به افزایش تأثیر زمینه افزایش می‌یابد و پس از آن، در فواصل کوچک‌تر از 5 نانومتر، قطره‌ها به دلیل انرژی غیرتابشی به ذره انتقال می‌یابند. برای بهبود افزایش میدان، spheroids یا Nanorods می‌تواند استفاده شود. همان‌گونه که بعدا نشان خواهیم داد، nanorod مانند آنتن دو قطبی شناخته شده از تئوری آنتن کلاسیک عمل می‌کند. بااین‌حال، در فرکانسهای نوری، خواص فلزات تفاوت قابل توجهی با رفتار آن‌ها در امواج رادیو یا مایکرو پیدا می‌کند. علاوه بر تشخیص با واکنش‌های آنی به حرکت میدان خارجی الکترون‌ها در فلز مانند یک پلاسما محدود توسط توپولوژی خاصی رفتار می‌کند. در نتیجه، رزونانس یک آنتن نوری ساخته شده از فلزات واقعی، انتقال سریع با توجه به تشدید یک فلز کامل دارد. Muhlschlegal و همکارانش تشدید طلا دو قطبی در آنتن‌ها را مورد بررسی قرار داده‌اند. طول آنتن در رزونانس به گونه چشمگیری کمتر از نیمی از تحریک طول موج است. میدان قوی را می‌توان در فاصله آنتن دو قطبی یافت. ساختار آنتن مشابه آنتن bow-tie است، که اخیراً توسط Schuck همکارانش مورد مطالعه قرار گرفته است. لبه‌های تیز منجر به نور بهتر در مرکز ساختار می‌شود. ساختار مشابه با یک لیزر دیود تجاری توسط Cubukcu و همکارانش یکپارچه شده است. اگرچه برای SNOM یک آنتن مورد نیاز است، که در آن حداکثر میدان الکتریکی در راس یک پروب نوری واقع شده باشد. با استفاده از این محدودیت، استراتژی‌های مختلف برای رسیدن به یک میدان قوی محلی را بررسی می‌کنیم. همه‌ی شبیه‌سازی‌ها و نتایج ارائه‌شده در این مقاله با استفاده از COMSOL چند فیزیکی، یک ابزار بر اساس روش المان محدود (FEM)، انجام شده است.
نانو ذرات طلا
به دلیل توپولوژی ساده‌ی آن، یک ذره فلز یک نمونه آنت ساده است. راه‌حل تحلیل شناخته شده است و مقایسه کمی با داده‌ها مستقیماً تجربی است. پراکندگی نور توسط یک دی الکتریک برای اولین بار توسط Mie تحلیل شد. برای ذرات کوچک (در حد شبه استاتیک)، در توزیع میدان خارجی برق را می‌توان با میدان‌های دو قطبی واقع در مرکز توصیف کرد. میدان الکتریکی کل می‌تواند به عنوان یک برهمنهی میدان حاصل و میدان پراکنده با استفاده از تخمین دو قطبی باشد. که در آن ε پیچیدگی مجاز است. برای تمام محاسبات ε از Johnson و Christy گرفته شده است. به دلیل وجود یک راه‌حل تحلیلی برای این مشکل، سیستم کاملاً برای اعتبار عددی روش مورد استفاده در این مطالعه مناسب است. بنابراین درمی‌یابیم که نتایج عددی FEM در شرایط تقریباً کامل با راه‌حل تحلیلی (1) است و از این رو کد FEM می‌تواند با قابلیت اعتماد به ساختار آنتن پیچیده‌تر اعمال شود. برای تحریک طول موج برابر با 650 نانومتر حداکثر شدت افزایش در سطح کره 12.5 است.
آنتن خود مشابه
با تعمیم آنتن دو میدان نامتقارن به میدان‌های متعدد ما می‌توانیم به یک آنتن خود مشابه برسیم، Li و همکاران. درحال‌حاضر یک آرایش خود مشابه از میدان برای افزایش و بومی‌سازی میدان نوری پیشنهاد کرده‌اند.
گوی های حفاظت شده توسط پوشش طلایی Silver
در شبه استاتیک، محاسبه روزنانس پلاسمون ذرات کروی به سادگی توسط تعیین قطب ذرات ایجاد میگردند.
برای ذرات نقره در هوا، رزونانس پلاسمون نزدیک به RES=379خواهد بود. آنتن خود مشابه دارای ساختاری مشابه با طول موج و رزونانس شیفت یافته به سمت رنگ قرمز و به عنوان طول موج موثر است. بنابراین ترکیب ذرات در اندازههای مختلف نقرهای با هم ترکیب شده و رزونانس UV را خواهند ساخت. متاسفانه، نقره دارای یک ماده شیمیایی ناپایداری است که سطح محافظت آن بسیار پایین است. یک لایه برای پوشش کره طلا با نقره ایجاد میگردد تا پوشش شیمیایی ذرات نقره، آسیبی به آن نزند. درک نتیجه چنین کاری موجب ایجاد زمینهای میگردد که در آن باید در مورد آنتن‌های نوری و رزونانس پلاسمون نقره اطلاعات بیشتری در دست باشد.
Nanorod5
سادهترین روش برای تعیین آنتن امواج رادیویی این است که شعاع آن را بر عدد دو تقسیم نموده و یا آنتن را از نوع آنتن سیمی در نظر بگیریم.
در مطالعه رفتار آنتن نوری می‌توان از محاسبات نانو میلهای با مجموع طول 220 نانومتر و یا 20 نانومتر استفاده کرد. قطر شبکه در شکل 6 (a) نشانگر افزایش میدان الکتریکی در مقابل توزیع تحریک هست. شکل 6 (b)، نشانگر رزونانس پایین است. معادله (6) نشانگر یافتن حالت نانومتر است: هیچ یک از این موارد برای طلا در نظر گرفته نشده بود و صرفاً می‌توان موارد مربوط به محاسبه رزونانس را در آن دخیل کرد. این محاسبات طول رزونانس را از 440 نانومتر تا 1298 نانومتر در نظر گرفته‌اند.
نتیجه گیری
ما نشان داد یک که ساختارهایی همانند آنتن‌های خود مشابه را می‌توان توسط نفوذ حوزه آنتن نوری کارآمد برای میکروسکوپ نوری میدان نزدیک انجام داد. ما تأثیر پلاسمون را نیز مورد بررسی قرار داده و رزونانس را در هر دو حالت شبه استاتیک و عقب‌مانده یافتیم که بالاترین پیشرفت را در رژیم عقب‌مانده به دست آوریدم. به عنوان مثال، زمانی که آنتن به دست آمده دارای طرحی مشابه با طول موج موثر دارد که توسط تفلیس
و Willander، 16 مورد بررسی قرار گرفته است. ما مشاهدات چشمگیری در طول موج رزونانس برای نانو میله‌ها نسبت به میله‌های کلاسیک آنتن به دست آوردیم. در این زمینه، استفاده از پلاسمون و رزونانس افزایش چشمگیری داشته است. طول L توسط یک عامل nres با توجه به تغییرات رنگ قرمز به این صورت خواهد بود:
به طوری کهO طول موج رزونانس یک آنتن ساخته شده است و لاندا، ثابت انتشار موج بر در امتداد بی‌نهایت
به عنوان یک شاخص سطح موثر در نظر گرفته شده است.
این مقاله ISI در سال 2007 در نشریه Ingentaconnect و در مجله علوم نانو محاسباتی و نظری، توسط گروه فوتونیک ارتباطات منتشر شده و در سایت ای ترجمه جهت دانلود ارائه شده است. در صورت نیاز به دانلود رایگان اصل مقاله انگلیسی و ترجمه آن می توانید به پست دانلود ترجمه مقاله محاسبات میدانی آنتن های نوری در سایت ای ترجمه مراجعه نمایید.
