بررسی عددی تأثیر نانوحفره های دی الکتریک بر پاسخ اپتیکی لایه فلزی آلومینیوم

سپه وند, نسرین; قلمبر دزفولی, عبدالمحمد; بهرامی, محسن

doi:10.48301/kssa.2025.486584.3036

بررسی عددی تأثیر نانوحفره های دی الکتریک بر پاسخ اپتیکی لایه فلزی آلومینیوم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی (توسعه ای)

نویسندگان

نسرین سپه وند ¹

عبدالمحمد قلمبر دزفولی ¹

محسن بهرامی ²

¹ دانشکده علوم، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران

² گروه فیزیک-دانشکده علوم- دانشگاه لرستان- خرم آباد- ایران

10.48301/kssa.2025.486584.3036

چکیده

آرایه‌های تناوبی نانوحفره‌های دی‌الکتریک به دلیل توانایی بالا در کنترل برهمکنش مدهای پلاسمونی بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند. این پژوهش، به مطالعة آرایش و ترکیب پلاسمونیک آرایه‌های تناوبی دو بعدی نانوحفره‌ها‌ی استوانه‌ای شکل از جنس هوا در لایه فلزی Al می‌پردازد. مدهای پلاسمونی این نانوساختار را با استفاده از روش عددی تفاضل متناهی حوزه زمان و تحت تابش نرمال قطبش-s در محدوده nm750-300 بررسی می‌کنیم. در این کار تلاش می‌شود با به کارگیری ابعاد مناسبی از نانوحفره‌ها، مدهای پلاسمون شبکه سطحی قوی را در طیف انعکاس کلی ضعیف شده در ناحیه مرئی ایجاد نمائیم. با تغییر دوره تناوب و شعاع نانوحفره‌ها در دوره تناوب nm300 و شعاع nm80 در طول موج nm477 بالاترین میزان جذب در نزدیکی مدهای پراش زیرلایه دی‌الکتریک ایجاد می‌شود. این مد پلاسمونی امکان دستیابی به میدان‌های جایگزیده قوی را برای ما فراهم می‌کند. در این راستا، با تغییر ضریب شکست نانوحفره‌ها و محیط اطراف، تغییرات محسوسی در جایگاه و شدت مدها با تغییر به طول موج‌های بالاتر مشاهده می‌کنیم. میزان حساسیت این مد برابر nm/RIU41 است. از اینرو، نتایج حاصل از این پژوهش می‌تواند نانوساختار طراحی شده را به عنوان گزینه مناسبی برای کاربرد در حسگرهای ضریب شکست نشان ‌دهد.

کلیدواژه‌ها

آلومینیوم

تفاضلات متناهی حوزه زمان

حسگر

مدهای پلاسمونی

نانوحفره

موضوعات

نانو فیزیک

عنوان مقاله English

Numerical investigation of the effect of dielectric nanoholes on the optical response of aluminum metal layer

نویسندگان English

Nasrin Sepahvand ¹

AbdolMohammad Ghalambor Dezfuli, ¹

Mohsen Bahrami ²

¹ Department of Physics,Faculty of Science, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran

² Department of Physics-Science Faculty-University of Lorestan-Khorramabad-Iran

چکیده English

Periodic arrays of dielectric nanoholes have received much attention due to their high ability to control the interaction of plasmonic modes. This research studies the arrangement and composition of plasmonic two-dimensional periodic arrays of cylindrical nanoholes made of air in the Al metal layer. We investigate the plasmonic modes of this nanostructure using the time domain finite difference numerical method under normal s-polarized radiation in the range of 300-750 nm. In this work, we try to create strong surface lattice plasmon modes in the attenuated total reflection spectrum in the visible region by using appropriate dimensions of nanoholes. By changing the period and radius of the nanoholes in the periodic period of 300 nm and the radius of 80 nm in the wavelength of 477 nm, the highest amount of absorption is created near the diffraction modes of the dielectric substrate. The plasmonic mode allows us to obtain strong alternating fields. In this regard, by changing the refractive index of nanoholes and the surrounding environment, we observe noticeable changes in the position and intensity of the modes by changing to higher wavelengths. The sensitivity of the mode is equal to 41 nm/RIU. Therefore, the results of this research can show the designed nanostructure as a suitable option for use in refractive index sensors.

کلیدواژه‌ها English

Aluminium

Finite difference time domain (FDTD)

Sensor

Mode of Plasmonic

Nanohole

[1] Boroviks, S., Lin, Z.H., Zenin, V.A., Ziegler, M., Dellith, A., Gonçalves, P.A.D., Wolff, C., Bozhevolnyi, S.I., Huang, J.S. & Mortensen, N.A. (2022). Extremely confined gap plasmon modes: when nonlocality matters. Nat. Commun, 13(1), 3105. https://doi.org/10.1038/s41467-022-30737-2

[2] Bahrami, M., Sepahvand, N., & Moradpour, Z. (2022). Numerical study of short-circuit current density and absorption in the active layer of organic solar cells in the presence of cylindrical nanoparticles. Karafan Quarterly Research Journal, https://doi.org/10.48301/kssa.2022.354897.2228

[3] Yang, K., Yao, X., Liu, B. & Ren, B. )2021(. Metallic plasmonic array structures: principles, fabrications, properties, and applications. Adv. Mater., 33(50), 2007988. https://doi.org/10.1002/adma.202007988

[4] Cheng, Y. & Sun, M. )2021(. Unified treatments for localized surface plasmon resonance and propagating surface plasmon polariton based on resonance modes in metal nanowire. Opt., Commun. 499, 127277. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2021.127277

[5] Kasani, S., Curtin, K. & Wu, N. )2019(. A review of 2D and 3D plasmonic nanostructure array patterns: fabrication, light management and sensing applications. Nanophotonics, 8(12), 2065-2089.

[6] Sepahvand, N., Ghalambor Dezfuli, A. & Bahrami, M. (2024). Numerical Investigation of Surface Lattice Plasmonic Modes, Amplified in the Ultraviolet Spectral Regions, for Improved Ag@ Al Core–Shell Periodic Nanostructures. Plasmonics, 20(4), 1-12. https://doi.org/10.1007/s11468-024-02385-3

[7] Guo, W., Xu, H., Yang, Z., Guo, S., Xie, W., Chee, K.W., Zeng, Y. & Ye, J., (2018). Performance enhancement of ultraviolet light emitting diode incorporating Al nanohole arrays. Nanotechnol., 29(45), 45LT01. https://doi.org/10.1088/1361- 6528/aaddc8

[8] Correia-Ledo, D., Gibson, K. F., Dhawan, A., Couture, M., Vo-Dinh, T., Graham, D., & Masson, J. F. (2012). Assessing the location of surface plasmons over nanotriangle and nanohole arrays of different size and periodicity. Phys. Chem. C, 116(12), 6884- 6892. https://doi.org/10.1021/jp3009018

[9] Schwind, M., Kasemo, B., & Zoric, I. (2013). Localized and propagating plasmons in metal films with nanoholes. Nano letters, 13(4), 1743-1750. https://doi.org/10.1021/nl400328x

[10] Song, J., Shi, Y., Liu, X., Li, M., Wang, X., & Yang, F. (2021). Enhanced broadband extraordinary terahertz transmission through plasmon coupling between metal hemisphere and hole arrays. Optical Materials Express, 11(8), 2700-2710. https://doi.org/10.1364/OME.430500 [11] Cetin, A.E., Etezadi, D., Galarreta, B.C., Busson, M.P., Eksioglu, Y. & Altug, H. )2015(. Plasmonic nanohole arrays on a robust hybrid substrate for highly sensitive label-free biosensing. ACS photonics, 2(8), 1167-1174. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.5b00242

[12] Yue, W., Wang, Z., Yang, Y., Li, J., Wu, Y., Chen, L., Ooi, B., Wang, X. & Zhang, X.X. (2014). Enhanced extraordinary optical transmission (EOT) through arrays of bridged nanohole pairs and their sensing applications. Nanoscale, 6(14), 7917-7923. https://doi.org/10.1039/C4NR01001A

[13] Guo, R., Hakala, T.K. & Törmä, P. (2017). Geometry dependence of surface lattice resonances in plasmonic nanoparticle arrays. Phys. Rev. B, 95(15), 155423. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.155423

[14] Kravets, V.G., Kabashin, A.V., Barnes, W.L. & Grigorenko, A.N. (2018). Plasmonic surface lattice resonances: a review of properties and applications. Chem. Rev.,118(12), 5912-5951. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.8b00243

[15] Hakala, T.K., Rekola, H.T., Väkeväinen, A.I., Martikainen, J.P., Nečada, M., Moilanen, A.J. & Törmä, P. (2017). Lasing in dark and bright modes of a finite-sized plasmonic lattice. Nat. Commun., 8(1), 13687. https://doi.org/10.1038/ncomms13687

[16] Chen, J., Zhang, H., Liu, G., Liu, J., Liu, Y., Tang, L. & Liu, Z.,(2019). High-quality temperature sensor based on the plasmonic resonant absorber. Plasmonics, 14(2), 279-283. https://doi.org/10.1007/s11468-018-0802-7

[17] Mehmandoust, S., Eskandari, V. & Karooby, E. (2024). A review of fabrication of DNA origami plasmonic structures for the development of surface-enhanced Raman scattering (SERS) platforms. Plasmonics, 19(3), 1131-1143. https://doi.org/10.1007/s11468-023-02064-9

[18] Sepahvand, N., Bahrami, M., Moradpour, Z. & Dezfuli, A.G. (2023). Numerical Study of the Effect of Aluminum-Gold Nanorods on the Short-Circuit Current Density and the Absorption in Organic Solar Cells. Plasmonics, 18(4), pp.1337-1350. https://doi.org/10.1007/s11468-023-01850-9

[19] Singh, G.P. & Sardana, N. (2022). Plasmonic response of metallic nanoparticles embedded in glass & a-Si. Bull. Mater. Sci., 45(4), 241. https://doi.org/10.1007/s12034-022-02812-3

[20] Yang, A., Hryn, A.J., Bourgeois, M.R., Lee, W.K., Hu, J., Schatz, G.C. & Odom, T.W. )2016(. Programmable and reversible plasmon mode engineering. PNAS, 113(50), 14201-14206. https://doi.org/10.1073/pnas.1615281113

[21] Ghaemi, H.F., Thio, T., Grupp, D.E.A., Ebbesen, T.W. & Lezec, H.J. )1998(. Surface plasmons enhance optical transmission through subwavelength holes. Phys. Rev. B, 58(11), 6779. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.58.6779

[22] Murray-Méthot, M.P., Ratel, M. & Masson, J. F. (2010). Optical properties of Au, Ag, and bimetallic Au on Ag nanohole arrays. Phys. Chem. C, 114(18), 8268-8275. https://doi.org/10.1021/jp101231c

[23] Liao, J.W., Huang, Z.T., Wu, C.H., Gagrani, N., Tan, H.H., Jagadish, C., Chen, K.P. & Lu, T. C. (2023). Highly localized surface plasmon nanolasers via strong coupling. Nano Lett. 23(10), 4359-4366. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c00614

[24] Lospinoso, D., Colombelli, A., Rella, R. & Manera, M.G. )2024(. Rational Design and Optimization of Plasmonic Nanohole Arrays for Sensing Applications. Chemosensors, 12(8), 157. https://doi.org/10.3390/chemosensors12080157

[25] Palik, E.D. ed. (1998). Handbook of optical constants of solids (Vol. 3): Academic press.

[26] Collin, S. (2014). Nanostructure arrays in free-space: optical properties and applications. Rep. Prog. Phys. 77(12), 126402. https://doi.org/ 10.1088/0034- 4885/77/12/126402

[27] Pescaglini, A. & Iacopino, D. )2015(. Metal nanoparticle–semiconductor nanowire hybrid nanostructures for plasmon-enhanced optoelectronics and sensing. Mater. Chem. C, 3(45), 11785-11800. https://doi.org/10.1039/C5TC01820J

[28] Günaydın, B.N., Gülmez, M., Torabfam, M., Pehlivan, Z.S., Tütüncüoğlu, A., Kayalan, C.I., Saatçioğlu, E., Bayazıt, M.K., Yüce, M. & Kurt, H. (2023). Plasmonic titanium nitride nanohole arrays for refractometric sensing. ACS Appl. Nano Mater. 6(22), 20612-20622. https://doi.org/10.1021/acsanm.3c03050

[29] Kravets, V.G., Schedin, F. & Grigorenko, A. N. )2008(. Extremely narrow plasmon resonances based on diffraction coupling of localized plasmons in arrays of metallic nanoparticles. PRL, 101(8), 087403. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.087403

[30] Taflove, A., Hagness, S.C. & Piket-May, M. )2005(. Computational electromagnetics: the finite-difference time-domain method. Electric Eng Handbook, 3(629-670), 15.

[31] Muravitskaya, A., Gokarna, A., Movsesyan, A., Kostcheev, S., Rumyantseva, A., Couteau, C., Lerondel, G., Baudrion, A. L., Gaponenko, S. & Adam, P. M. (2020). Refractive index mediated plasmon hybridization in an array of aluminium nanoparticles. Nanoscale, 12(11), 6394-6402. https://doi.org/10.1039/C9NR09393A

[32] Shokova, M.A. & Bochenkov, V.E. (2023). Impact of Optical Cavity on Refractive Index Sensitivity of Gold Nanohole Arrays. Biosensors, 13(12), 1038. https://doi.org/10.3390/bios13121038