Tính hấp thụ ánh sáng của các Plasmonic Nano Anten có cấu trúc hình học khác nhau

TAÏP CHÍ KHOA HOÏC ÑAÏI HOÏC SAØI GOØN Soá 8(33) - Thaùng 10/2015<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tính hấp thụ ánh sáng của các Plasmonic Nano Anten<br /> có cấu trúc hình học khác nhau<br /> Optical absorption characteristics of plasmonic nano anten with different<br /> geometries<br /> 1<br /> CN. Nguyễn Thị Thanh Kiều, 2 ThS. Hứa Thị Hoàng Yến, 3 ThS. Huỳnh Văn Tuấn,<br /> 123<br /> Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQG TP.HCM<br /> 4<br /> TS. Nguyễn Trương Khang<br /> 4<br /> Trường Đại học Tôn Đức Thắng<br /> 1<br /> B.A. Nguyen Thi Thanh Kieu, 2 M.Sc. Hua Thi Hoang Yen, 3 M.Sc. Huynh Van Tuan,<br /> 123<br /> The University of Science – National University Ho Chi Minh City<br /> 4<br /> Ph.D. Nguyen Truong Khang<br /> 4<br /> Ton Duc Thang University<br /> <br /> <br /> Tóm tắt<br /> Trong bài báo này, chúng tôi trình bày tính chất cộng hưởng ánh sáng của các lưỡng cực plasmonic<br /> nano anten với các dạng hình học khác nhau, đó là cấu trúc hình chữ nhật (rectangular), hình vuông<br /> (square), và hình tròn (circular). Phổ hấp thụ và phản xạ của từng cấu trúc nano anten được khảo sát và<br /> tối ưu hóa tại tần số 375THz, tương ứng với bước sóng 800nm của nguồn kích thích. Kết quả mô phỏng<br /> cho thấy, cấu trúc hình tròn cho độ tập trung và giam hãm điện trường tại vùng kích thích cao nhất,<br /> đồng thời cho hệ số phản xạ và phát xạ trường xa tốt nhất, trong sự so sánh giữa các cấu trúc. Nghiên<br /> cứu này hữu ích cho các nhà thiết kế trong việc lựa chọn các cấu trúc lưỡng cực plasmonic nano anten<br /> thích hợp khi muốn kết hợp với anten quang dẫn nhằm tăng hiệu suất trong hệ thu/phát sóng Terahertz.<br /> Từ khóa: hiện tượng cộng hưởng plamon bề mặt, nano anten, sự hấp thụ, sự phản xạ, phát xạ trường<br /> xa…<br /> Abstract<br /> In this paper, we investigate the optical absorption characteristics of plasmonic dipole nano antenna<br /> with different geometries; they are rectangular dipole, square dipole, and circular dipole. Absorption<br /> and reflection profile of each nano antenna are characterized and optimized at the resonance frequency<br /> of 375 THz, which corresponding to the wavelength of the incident light at 800 nm. Numerical results<br /> show that the circular nano antenna produces the most enhanced electric field at the excitation gap in<br /> addition with the best reflection and far-field radiation characteristics.<br /> This research is useful for the researcher and designer in chossing appropriate plasmonic dipole nano<br /> antennas when incorporating with a photoconductive antenna for terahertz radiation enhancement.<br /> Keywords: surface plasmon resonance, nano-antenna, absorption, reflection, far-field radiation…<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 57<br />  1. Mở đầu surface plasmon resonance) [1], [2], [3],<br /> Hiệu ứng giam cầm lượng tử trong các [4]. Dưới tác dụng của điện từ trường bên<br /> vật liệu kích thước nanomet khiến cho vật ngoài như ánh sáng sẽ dẫn đến sự dao động<br /> liệu có các tính chất đặc biệt như hiệu ứng tập thể của các điện tử tự do, và theo đó<br /> bề mặt, hiệu ứng kích thước, hiệu ứng cộng dẫn đến sự phân cực của các hạt nano<br /> hưởng plasmon… Khi các điện tử tự do thành một lưỡng cực điện. Tần số cộng<br /> trong cấu trúc nano (nanostructure) hấp thụ hưởng của lưỡng cực này phụ thuộc vào<br /> ánh sáng chiếu vào dẫn đến hiện tượng nhiều yếu tố như hình dáng và độ lớn của<br /> được gọi là hiện tượng cộng hưởng cấu trúc nano, lớp vật liệu đế, hay độ phân<br /> plasmon bề mặt định xứ (LSPR- Localized cực của ánh sáng kích thích.<br /> <br /> Side View Top View<br /> <br /> <br /> <br /> g<br /> Au Au Tgold g<br /> T SiO2<br /> WR<br /> Au<br /> LR<br /> <br /> <br /> y<br /> z<br /> <br /> <br /> y<br /> z x SiO2<br /> x<br /> <br /> (a) (b)<br /> Top View Top View<br /> <br /> <br /> <br /> g<br /> g<br /> <br /> DC<br /> WS<br /> <br /> <br /> LS LC<br /> <br /> y<br /> y<br /> <br /> <br /> z x SiO2 SiO2<br /> z x<br /> <br /> <br /> (c) (d)<br /> Hình 1. (a) Sơ đồ mặt cắt của các plasmonic nano anten; Plasmonic nano anten: (b)<br /> hình chữ nhật (Rectangular); (c) hình vuông (Square); (d) hình tròn (Circular).<br /> <br /> Plasmonic nano anten là một loại [5], diode phát quang [6], [7], các tấm pin<br /> anten có kích thước nanomet, do đó nó thể năng lượng mặt trời [8], SERS (Surface<br /> hiện được các đặc tính đặc biệt của một cấu Raman Scattering) [9], cảm biến sinh học<br /> trúc nano. Một số nghiên cứu mới đây đã (biosensing) [10], hoặc sử dụng plasmonic<br /> công bố các ứng dụng của plasmonic nano nano anten trong anten quang dẫn để tăng<br /> anten như các bộ thu quang (photodetectors) cường công suất bức xạ Terahertz (THz)<br /> <br /> 58<br /> [11], [12], [13]. Nhờ hiện tượng cộng nghiên cứu, khảo sát đặc tính hấp thụ của<br /> hưởng plasmon bề mặc định xứ (LSPR), các plasmonic nano anten có các cấu trúc<br /> mỗi cấu trúc hình học của nano anten có sự hình học khác nhau, đó là cấu trúc hình chữ<br /> hấp thụ ánh sáng khác nhau. Để có được sự nhật, hình vuông và hình tròn. Tất cả các<br /> hấp thụ ánh sáng tới tốt nhất đòi hỏi phải cấu trúc được kích thích bằng ánh sáng tới<br /> lựa chọn một cấu trúc nano anten có kích có bước sóng 800nm (ứng với tần số<br /> thước phù hợp. Hơn nữa, hiệu suất hoạt 375THz), là bước sóng chuẩn của chùm<br /> động của anten sẽ là tốt nhất khi tần số ánh sáng được sử dụng trong SERS<br /> cộng hưởng của chúng gần với tần số (Surface Enhanced Raman Scattering). Kết<br /> nguồn kích thích. Cấu trúc truyền thống quả mô phỏng bằng cách sử dụng phần<br /> như hình chữ nhật được quan tâm rất nhiều mềm mô phỏng CST MWS [15] cho thấy<br /> [14]. Tuy nhiên, khi nghiên cứu và kiểm tra cấu trúc hình tròn cho khả năng giam hãm<br /> thực nghiệm về các nano anten này các nhà điện trường tới, đồng thời cho đồ thị phát<br /> nghiên cứu chỉ quan tâm đến những kích xạ trường xa tốt nhất so với các cấu trúc<br /> thước có thể chế tạo được mà thiếu bước còn lại.<br /> khảo sát kích thước nào tốt hơn để đưa vào 2. Các cấu trúc hình học của<br /> thực tế. Trong bài báo này, chúng tôi sẽ plasmonic nano anten<br /> thực hiện bước thiếu đó và tập trung<br /> <br /> e<br /> h Vacuum 1<br /> Plane Waveguide<br /> Vacuum wave Port 1<br /> <br /> Nanoantenna Probe Nanoantenna<br /> (Au)<br /> (Au)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> SiO2 SiO2<br /> Au Vacuum Au<br /> <br /> Vacuum PC<br /> z z<br /> y y Waveguide<br /> Port 2<br /> x 2<br /> x<br /> <br /> (a) (b)<br /> Hình 2. Mô hình mô phỏng dùng để; a) quan sát điện trường giam hãm tại vùng kích thích;<br /> b) tính hệ số phản xạ của một mảng vô hạn hai chiều.<br /> <br /> <br /> Hình 1 biểu diễn mặt cắt ngang (side biểu diễn mặt cắt ngang của cấu trúc nano<br /> view) và cấu trúc hình học của ba cấu trúc anten, cả ba cấu trúc nano anten được chế<br /> nano anten nhìn từ phía trên (top view) tạo từ vàng (Au) có bề dày là Tgold, các cấu<br /> gồm có: cấu trúc hình chữ nhật trúc được ngăn cách với lớp đế vàng (Au)<br /> (rectangular), cấu trúc hình vuông (square), bởi một lớp bán dẫn loại SiO2 có bề dày<br /> và cấu trúc hình tròn (circular). Hình 1a được ký hiệu chung là T, khoảng cách<br /> <br /> 59<br /> vùng kích thích (gap) nằm ở giữa hai điện Trong một mảng vô hạn, các nano anten<br /> cực của cả ba cấu trúc được ký hiệu là g. của cả ba cấu trúc cách nhau một khoảng<br /> Hình 1b, 1c, và 1d biểu diễn cấu trúc hình được ký hiệu là PR, PS, và PC tương ứng<br /> học của nano anten hình chữ nhật, hình với cấu trúc hình chữ nhật, hình vuông, và<br /> vuông, và hình tròn tương ứng, trong đó hình tròn. Các thông số thiết kế của cả ba<br /> chiều rộng và tổng chiều dài của cấu trúc cấu trúc nano anten sau khi tối ưu hóa tại<br /> nano anten hình chữ nhật được ký hiệu là vùng tần số 375THz như sau: cấu trúc hình<br /> WR và LR. Chiều rộng và tổng chiều dài của chữ nhật (WR = 35nm, LR = 174nm, TR =<br /> cấu trúc nano anten hình vuông được ký 100nm, và PR = 550nm); cấu trúc hình<br /> hiệu là WS và LS. Đường kính và tổng chiều vuông (WS = 78nm, LS =166nm, TS =<br /> dài của cấu trúc nano anten hình tròn được 40nm, và PS = 600nm); cấu trúc hình tròn<br /> ký hiệu là DC và LC. Bề dày lớp SiO2 của (DC = 94nm, LC = 198nm, TC = 60nm, và<br /> cấu trúc hình chữ nhật, hình vuông, và hình PC = 590nm); trong đó g = 10nm và Tgold =<br /> tròn lần lượt được ký hiệu là TR, TS, và TC. 25nm chung cho cả ba cấu trúc.<br /> <br /> 3. Mô phỏng bằng phần mềm CST MWS<br /> <br /> -6<br /> 30 12 2.5 5.0x10<br /> <br /> 0 2.4 4.0x10<br /> -6<br /> 0<br /> <br /> -12 -6<br /> -30 2.3 3.0x10<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> ''<br /> '<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> -24 '<br /> ''<br /> '<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> -6<br /> 2.2 '' 2.0x10<br /> -60<br /> -36<br /> ' 2.1 1.0x10<br /> -6<br /> -90 '' -48<br /> 2.0 0.0<br /> -120 -60 200 250 300 350 400 450 500<br /> 200 250 300 350 400 450 500<br /> Frequency (THz) Frequency (THz)<br /> <br /> (a) (b)<br /> Hình 3. Đồ thị điện tử tán xạ (electric dispersion curves) của (a) vàng (Au) và (b) SiO2<br /> trong dải tần số từ 200 THz đến 500THz.<br /> <br /> Trong bài báo này, phần mềm CST được đặt ban đầu là 1V/m và được phân<br /> MWS (CST Microwave Studio) [15] cực dọc theo trục chính (trục x) của các<br /> được sử dụng để mô phỏng các đặc tính nano anten. Một đầu dò (probe) được<br /> của các cấu trúc nano anten. Hình 2a đặt tại giữa hai điện cực của nano anten<br /> biểu diễn mô hình tính toán đặc tính (vùng kích thích) để thu năng lượng và<br /> hấp thụ năng lượng của nano anten, thể hiện tính chất giam hãm điện trường<br /> trong đó nguồn kích thích được sử dụng tăng cường của cấu trúc. Mô hình này<br /> là sóng ánh sáng phẳng (plane wave) cũng cho phép ta quan sát đồ thị phát xạ<br /> chiếu từ trên xuống, cường độ điện trường xa của nano anten. Đặc tính<br /> trường của ánh sáng kích thích này phản xạ của nano anten với cấu trúc<br /> <br /> 60<br /> mảng hai chiều vô hạn được mô phỏng điện tử tán xạ (electric dispersion<br /> bằng cách sử dụng mô hình ống dẫn curves) của vật liệu vàng (Au) và SiO2<br /> sóng hai cổng như mô tả trong hình 2b. tại vùng tần số khảo sát từ 200THz đến<br /> Trong mô hình này, hai điều kiện biên 500THz. Mô hình tán xạ của vật liệu<br /> điện trường và từ trường lần lượt được vàng và SiO2 này được xác định trong<br /> áp vào dọc theo hướng ±x và ±y nhằm thư viện vật liệu của CST MWS và<br /> mô phỏng sự truyền sóng theo hướng được so khớp với các giá trị thực<br /> chuẩn vuông góc trong mô hình ống nghiệm đã được công bố bởi các nhóm<br /> dẫn sóng này. Hình 3 biểu diễn đồ thị nghiên cứu khác.<br /> 4. Kết quả và thảo luận<br /> <br /> 120 1.0<br /> Rectangular<br /> Reference [14]<br /> Reflection coefficient 0.8<br /> 90<br /> E-field (V/m)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 0.6<br /> 60<br /> 0.4<br /> 30<br /> 0.2<br /> Rectangular<br /> Reference [14]<br /> 0<br /> 250 300 350 400 0.0<br /> 250 300 350 400<br /> Frequency (THz)<br /> Frequency (THz)<br /> <br /> <br /> (a) (b)<br /> <br /> Hình 4. (a)-(b) Kết quả mô phỏng về phổ<br /> năng lượng hấp thụ và kết quả mô phỏng phổ<br /> phản xạ của cấu trúc hình chữ nhật tham<br /> chiếu [14] và cấu trúc hình chữ nhật có các<br /> thông số thay đổi để tối ưu hóa hiệu suất hấp<br /> thụ tại 375 THz; c) kết quả thực nghiệm về<br /> phổ phản xạ của mảng nano anten hình chữ<br /> nhật khi thay đổi TSiO2 trong [14].<br /> <br /> <br /> <br /> (c)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 61<br />  Đối với cấu trúc hình chữ nhật, đã có giữa các nano anten trong mảng vô hạn là<br /> nhiều nhóm nghiên cứu về cấu trúc này, 600nm. Dưới sự kích thích của ánh sáng<br /> điển hình như nhóm nghiên cứu của T. J. tới có bước sóng 800nm, cấu trúc này thu<br /> Seok cùng cộng sự đã chứng minh thực được đỉnh phổ năng lượng 85,6V/m tại tần<br /> nghiệm [14]. Trong cấu trúc tham chiếu số cộng hưởng khoảng 320THz, cách khá<br /> này, chiều rộng và tổng chiều dài của nano xa tần số cộng hưởng của ánh sáng kích<br /> anten là 45nm và 260nm, bề dày lớp kim thích (375THz). Vì vậy, từ cấu trúc trên<br /> 400 190 400 130<br /> Fpeak<br /> 390 Epeak 390<br /> 160 120<br /> <br /> <br /> E<br /> Fpeak (THz)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 380<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Fpeak (THz)<br /> 380<br /> <br /> peak<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Epeak (V/m)<br /> 370<br /> 130<br /> (V/m) 370<br /> 110<br /> Fpeak<br /> 360 360<br /> Epeak<br /> 350 100 350 100<br /> 7 8 9 10 11 12 20 40 60 80 100<br /> g (nm) TC (nm)<br /> <br /> (a) (b)<br /> <br /> <br /> 400 130<br /> 400 130<br /> <br /> 390 390<br /> <br /> 120 120<br /> Fpeak (THz)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 380<br /> <br /> <br /> <br /> Epeak (V/m)<br /> 380<br /> Epeak<br /> Fpeak<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 370 370<br /> 110 110<br /> Fpeak<br /> 360 Fpeak 360<br /> Epeak<br /> Epeak<br /> 350 100 350 100<br /> 182 190 198 206 214 550 570 590 610 630<br /> LC (nm) PC (nm)<br /> <br /> (c) (d)<br /> Hình 5. Khảo sát tần số cộng hưởng Fpeak và điện trường giam hãm tại vùng kích thích<br /> Epeak tương ứng khi thay đổi các thông số thiết kế của nano anten hình tròn; (a) kích thước<br /> vùng kích thích g, (b) độ dày TC của lớp bán dẫn SiO2, (c) tổng chiều dài LC, (d) khoảng<br /> cách PC giữa các nano anten đơn vị trong mảng vô hạn.<br /> <br /> <br /> loại vàng của cấu trúc là 25nm, kích thước chúng tôi tìm cách đưa đỉnh phổ năng<br /> vùng kích thích (gap) là 15nm, bề dày lớp lượng về tần số 375THz bằng cách thay đổi<br /> bán dẫn SiO2 là 60nm, và khoảng cách các thông số của cấu trúc. Kết quả chúng<br /> <br /> 62<br /> tôi thu được đỉnh phổ năng lượng cao nhất J. Seok cùng cộng sự thực hiện, so với kết<br /> khoảng 110,3V/m tại tần số cộng hưởng quả mô phỏng tần số cộng hưởng trong<br /> 374,9THz được biểu diễn ở hình 4a, trong thực nghiệm khoảng xấp xỉ 345THz (tức<br /> đó các thông số hình học của cấu trúc thay là λ=870nm, trường hợp 60nm SiO2), trong<br /> đổi tương ứng gồm chiều rộng (WR) và đó độ phản xạ (khoảng 0,45) lớn hơn nhiều<br /> tổng chiều dài (LR) của nano anten là 35nm so với mô phỏng (khoảng 0,02). Điều này<br /> và 174 nm tương ứng, bề dày lớp kim loại có thể được giải thích do các điều kiện sử<br /> (Tgold) của cấu trúc là 25nm, kích thước dụng trong mô phỏng là lý tưởng, còn<br /> <br /> <br /> 160 1.0<br /> Rectangular<br /> Square<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Reflection coefficient<br /> Circular 0.8<br /> 120<br /> E-field (V/m)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 0.6<br /> 80<br /> 0.4<br /> 40 Rectangular<br /> 0.2 Square<br /> Circular<br /> 0 0.0<br /> 320 340 360 380 400 420 320 340 360 380 400 420<br /> Frequency (THz) Frequency (THz)<br /> <br /> (a) (b)<br /> Hình 6. a) Điện trường giam hãm tại vùng kích thích theo hàm tần số và (b) hệ số phản xạ<br /> theo hàm tần số của ba cấu trúc: hình chữ nhật (Rectangular), hình vuông (Square) và hình<br /> tròn (Circular).<br /> <br /> vùng kích thích (g) là 10nm, bề dày lớp trong thực nghiệm có thể do nhiều yếu tố<br /> bán dẫn SiO2 là 100nm, và khoảng cách ảnh hưởng như vật liệu chế tạo, hệ đo, điều<br /> giữa các nano anten trong mảng vô hạn là kiện môi trường xung quanh,… khiến cho<br /> 550nm. Như vậy, sau khi thay đổi các độ phản xạ thực nghiệm không tốt bằng độ<br /> thông số chúng tôi thu được đỉnh phổ năng phản xạ mô phỏng. Kết quả ban đầu này<br /> lượng cao hơn đỉnh phổ năng lượng của cho chúng tôi rút ra hai điều. Một là, khẳng<br /> cấu trúc hình chữ nhật do T. J. Seok cùng định tính đúng đắn của mô hình mô phỏng<br /> cộng sự thực hiện [14], trong đó tần số qua sự so sánh tần số đỉnh phổ hấp thụ<br /> cộng hưởng thu được tương ứng 374,9THz trong mô phỏng, và tần số cộng hưởng<br /> gần với tần số của nguồn kích thích trong thực nghiệm được trình bày trong<br /> (375THz). Hình 4b chứng tỏ hệ số phản xạ hình 4c. Hai là, bằng cách khảo sát và tối<br /> của cấu trúc trong [14] nhỏ hơn hệ số phản ưu hóa dạng hình học của nano anten, ta có<br /> xạ của cấu trúc hình chữ nhật đã được tối thể tăng hiệu suất hấp thụ tại tần số cộng<br /> ưu, tuy nhiên tần số cộng hưởng tương ứng hưởng mong muốn. Trong ba cấu trúc nano<br /> lại cách xa so với tần số của ánh sáng kích anten được khảo sát, chúng tôi chọn cấu<br /> thích. Hình 4c là kết quả thực nghiệm do T. trúc hình tròn để trình bày hồi đáp của<br /> <br /> <br /> 63<br /> anten theo tần số khi thay đổi các thông số tương tự Epeak tăng nhưng sau đó cũng<br /> thiết kế, hai cấu trúc còn lại khảo sát tương giảm. Tại giá trị TC = 60nm, ta quan sát<br /> tự. Chúng tôi tiến hành khảo sát cấu trúc thấy Fpeak gần với tần số mong muốn<br /> hình tròn bằng cách thay đổi các thông số 375THz nhất, và tại đó Epeak cũng cho giá<br /> như g, TC, LC, và PC để được cấu trúc tốt trị cực đại. Tính chất này khá là thú vị, đã<br /> nhất. Hình 5a cho thấy, thông số khoảng được kiểm chứng trong [14], và được nói<br /> cách vùng kích thích g ảnh hưởng rất nhiều rằng, khoảng cách từ nano anten đến bề<br /> đến điện trường giam hãm tại tần số cộng mặt phản xạ (lớp đế Au) phải được chọn<br /> hưởng Epeak. Khi khoảng cách vùng kích thỏa mãn điều kiện cộng hưởng khi ta xem<br /> thích này càng bị thu hẹp, tần số cộng lớp vật liệu bán dẫn SiO2 như một hốc<br /> hưởng Fpeak càng giảm, nhưng điện trường cộng hưởng Fabry- Perot. Theo đó, tùy vào<br /> giam hãm tại vùng kích thích Epeak tăng lên chiết suất của vật liệu bán dẫn, ta sẽ có<br /> đáng kể. Điều này cho thấy, ta có thể tăng những độ dày khác nhau. Hình 5c cho thấy<br /> độ giam hãm điện trường lên đáng kể nếu khi LC tăng thì Fpeak giảm, điều này phù<br /> có thể thu hẹp khoảng cách vùng kích thích hợp với lý thuyết rằng, chiều dài anten tỷ lệ<br /> này, ví dụ như Epeak có thể đạt đến gần nghịch với tần số hoạt động của nó. Ta có<br /> 400V/m khi g giảm xuống đến 7nm. Trong thể tính được bước sóng hiệu dụng theo<br /> cấu trúc tối ưu hóa, chúng tôi chọn g = công thức:<br /> 10nm vì hai lý do sau: thứ nhất, khoảng<br /> cách g = 10nm cho Epeak tối đa tại tần số (1) trong đó, c là vận tốc ánh sáng<br /> cộng hưởng gần với tần số sóng tới 3×108m/s, fo là tần số cộng hưởng<br /> (375THz) nhất. Thứ hai, nếu g quá nhỏ sẽ (~375THz), và εeff là điện môi hiệu dụng<br /> gây khó khăn nhiều trong quá trình chế tạo, của SiO2 (~2.4). Theo đó, bước sóng hiệu<br /> chẳng hạn như gây ra hiện tượng ngắn dụng sẽ vào khoảng 500nm. Theo lý<br /> mạch giữa 2 điện cực và như thế giảm hiệu thuyết, anten có chiều dài vào khoảng ½<br /> suất tổng của cả mảng. Hình 5b cho thấy bước sóng hiệu dụng này (L~<br /> khi độ dày TC của lớp bán dẫn SiO2 thay ~250nm) sẽ cho mode cộng hưởng<br /> đổi, cả Fpeak và Epeak đều thay đổi đáng kể, đầu tiên. Kết quả sau khi tối ưu hóa đã cho<br /> và thể hiện tính cộng hưởng. Cụ thể, khi TC ra LC ~ 200nm, như vậy là ngắn hơn chiều<br /> tăng từ 20nm đến 100nm với bước tăng là dài tính toán lý thuyết. Điều này có thể lý<br /> 20nm, Fpeak tăng nhưng sau đó giảm, và giải rằng, do trong cấu trúc khảo sát có sử<br /> V/m V/m V/m<br /> 20 20 20<br /> 17.6 17.6 17.6<br /> 15.2 15.2 15.2<br /> 12.7 12.7 12.7<br /> 10.3 10.3 10.3<br /> 7.88 7.88 7.88<br /> y 5.45 y 5.45 y 5.45<br /> 3.03 3.03 3.03<br /> 0 0<br /> z x z x z x 0<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a) (b) (c)<br /> Hình 7. Phân bố điện trường tại tần số cộng hưởng của các cấu trúc nano anten;<br /> a) cấu trúc hình chữ nhật; b) cấu trúc hình vuông; c) cấu trúc hình tròn.<br /> <br /> <br /> 64<br /> dụng mặt phẳng đế (Au), theo đó chiết suất giữa hai điện cực ảnh hưởng đáng kể đến<br /> hiệu dụng của cả cấu trúc tăng lên, làm cho cường độ điện trường giam hãm, trong khi<br /> bước sóng hiệu dụng bị thu ngắn lại. Nhờ chiều dài của lưỡng cực quyết định tần số<br /> mặt phẳng đế này, và nhờ hiện tượng tăng cộng hưởng của nano anten. Quan trọng<br /> chiết suất hiệu dụng này, trường điện từ bắt hơn, độ dày của lớp bán dẫn phải được<br /> cặp từ nano anten vào lớp SiO2 tăng lên chọn thích hợp nhằm tối ưu hóa điện<br /> đáng kể, và theo đó tăng tính hấp thụ ánh trường tăng cường nhờ vào cơ chế hoạt<br /> sáng tới. Bên cạnh đó, cấu trúc hình học động như một hốc cộng hưởng Fabry-<br /> dạng hình tròn cũng phần nào thu ngắn Perot. Các tính chất này được cho rằng sẽ<br /> chiều dài của lưỡng cực điện. Xét về độ thể hiện một cách tương tự đối với cấu trúc<br /> giam hãm điện trường, ta thấy chiều dài nano anten hình vuông cũng như nano<br /> của nano anten ảnh hưởng không đáng kể anten hình chữ nhật. Theo đó, sau khi tối<br /> khi Epeak chỉ thay đổi ít xung quanh giá trị ưu hóa từng cầu trúc, chúng tôi thu được<br /> 125V/m. Cuối cùng, hình 5d cho thấy khi kết quả như sau: cấu trúc nano anten hình<br /> chiều rộng PC của lớp bán dẫn SiO2 (cũng chữ nhật cho cho đỉnh phổ điện trường<br /> là chiều rộng của mặt phẳng phản xạ) tăng, giam hãm có giá trị 110,3V/m tại tần số<br /> tần số cộng hưởng Fpeak giảm, tuy nhiên cộng hưởng là 374,9THz; cấu trúc nano<br /> điện trường giam hãm tại vùng kích thích anten hình vuông cho cho đỉnh phổ điện<br /> Epeak tăng. Việc tăng chiều rộng của lớp trường giam hãm có giá trị 92,2V/m tại tần<br /> bán dẫn sẽ dẫn đến sự tăng chiết suất hiệu số cộng hưởng là 372,8THz; cấu trúc nano<br /> dụng của cả cấu trúc. Theo đó, tần số cộng anten hình tròn cho cho đỉnh phổ điện<br /> hưởng sẽ giảm, và độ giam hãm tập trung trường giam hãm có giá trị 125V/m tại tần<br /> điện trường sẽ tăng do sóng tới được hấp số cộng hưởng là 374,3THz, xem thêm ở<br /> thụ vào lớp bán dẫn này nhiều hơn. Do tần bảng 1. Hình 6 biểu diễn hồi đáp theo hàm<br /> số cộng hưởng mong muốn xung quanh tần số của điện trường giam hãm tại vùng<br /> vùng 375THz, giá trị PC cho cấu trúc sau kích thích và của hệ số phản xạ trong sự so<br /> dBm2 dBm2 dBm2<br /> -118 -118 -118<br /> <br /> -127 -127 -127<br /> -133 -133 -133<br /> -139 -139 -139<br /> -145 -145 -145<br /> -152 -152 -152<br /> -158 -158 -158<br /> z z z<br /> y y y<br /> x x x<br /> <br /> (a) (b) (c)<br /> Hình 8. Phổ phát xạ trường xa tại tần số cộng hưởng của các cấu trúc nano anten;<br /> a) cấu trúc hình chữ nhật; b) cấu trúc hình vuông; c) cấu trúc hình tròn.<br /> <br /> cùng được chọn vào khoảng 590nm. Qua sánh giữa ba cấu trúc đang khảo sát. Kết<br /> việc khảo sát các thông số thiết kế của cấu quả cho thấy, tần số cộng hưởng của điện<br /> trúc hình tròn, ta có thể rút ra kết luận rằng, trường giam hãm, hình 6a, gần như trùng<br /> diện tích vùng kích thích hay khoảng cách với tần số cho hệ số phản xạ cực tiểu, hình<br /> <br /> 65<br /> 6b. Kết quả này cho thấy rằng, các cấu trúc ba cấu trúc nano anten đang khảo sát. Ta<br /> khảo sát hoạt động tốt ở tần số mong muốn thấy, điện trường phân bố tập trung tại<br /> là 375THz, và theo đó sẽ hấp thụ ánh sáng vùng kích thích và hai đầu cuối của nano<br /> tối đa tại tần số này. Đánh giá tổng quát anten như thường thấy trong các lưỡng cực<br /> rằng, cấu trúc hình tròn cho cường độ điện điện ở tần số thấp. Đồ thị phát xạ trường xa<br /> trường giam hãm tập trung tại vùng kích của cấu trúc hình tròn được đánh giá là tốt<br /> thích cao nhất, đồng thời cấu trúc hình tròn nhất so với hai cấu trúc hình chữ nhật và<br /> cũng cho hệ số phản xạ tốt nhất, gần như hình vuông. Quan sát ta thấy, phát xạ<br /> không có phản xạ, so với hai cấu trúc còn ngược (back-radiation) trong đồ thị phát xạ<br /> lại. Điều này phần nào giải thích sự ưa trường xa của cấu trúc hình tròn là thấp<br /> chuộng khi sử dụng các chấm lượng tử nhất. Kết hợp với các kết quả khác (xem<br /> quang học trong việc tăng cường tính hấp bảng 1), ta rút ra kết luận cấu trúc lưỡng<br /> thụ ánh sáng tới trong các thiết kế gần đây. cực nano anten hình tròn cho hiệu suất hấp<br /> Hình 7 và 8 lần lượt mô tả phân bố điện thụ ánh sáng tốt nhất so với cấu trúc lưỡng<br /> trường quan sát tại trường gần (near-field) cực nano anten hình chữ nhật và cấu trúc<br /> và đồ thị phát xạ trường xa (far-field) của lưỡng cực nano anten hình vuông.<br /> <br /> Bảng 1: So sánh các thông số đầu ra của các cấu trúc lưỡng cực nano anten.<br /> <br /> Điện trường tăng<br /> Tần số cộng hưởng Hệ số phản Đồ thị<br /> Cấu trúc cường<br /> Fpeak (THz) xạ (%) phát xạ<br /> Epeak (V/m)<br /> <br /> Hình chữ nhật 374,9 110,3 0,188 Tốt hơn<br /> <br /> Hình vuông 372,8 92,2 0,283 Tốt<br /> <br /> Hình tròn 374,3 125,0 0,056 Tốt nhất<br /> <br /> 5. Kết luận Fabry-Perot và theo đó, bề dày của lớp vật<br /> Trong bài báo này, chúng tôi khảo sát liệu này phải được chọn một cách thích<br /> ba cấu trúc lưỡng cực nano anten hình chữ hợp thỏa điều kiện cộng hưởng. Đánh giá<br /> nhật, hình vuông, và hình tròn, và đánh giá tổng quát, cấu trúc nano anten hình tròn nổi<br /> tính chất của chúng qua tính giam hãm trội về tất cả các tính chất so với hai cấu<br /> điện trường, hệ số phản xạ, phân bố trường trúc còn lại. Cụ thể, cấu trúc nano anten<br /> gần, và phát xạ trường xa. Quá trình tối ưu hình tròn cho điện trường giam hãm tăng<br /> hóa cho thấy khoảng cách giữa hai đơn cực cường tại vùng kích thích cao nhất, cho hệ<br /> điện, hay gọi là diện tích vùng kích thích, số phản xạ thấp nhất, và đồng thời cũng<br /> ảnh hưởng nhiều đến tính giam hãm điện cho đồ thị phát xạ trường xa tốt nhất.<br /> trường tăng cường của nano anten, trong Nghiên cứu này cung cấp cho các nhà<br /> khi chiều dài lưỡng cực quyết định tần số nghiên cứu lý thuyết cũng như thực<br /> cộng hưởng của nano anten. Bên cạnh đó, nghiệm các thông tin hữu ích về quá trình<br /> lớp bán dẫn kết hợp với mặt phẳng phản xạ chọn và tối ưu hóa các lưỡng cực nano<br /> đã hoạt động như một hốc cộng hưởng anten một cách hợp lý, từ đó áp dụng vào<br /> <br /> 66<br /> những ứng dụng cụ thể, ví dụ như kết hợp 8. H. A. Atwater and A. Polman (2010),<br /> một mảng nano anten hình tròn chấm “Plasmonics for improved photovoltaic<br /> devices”, Nature Materials, vol. 9, pp. 205–213.<br /> lượng tử với anten quang dẫn nhằm tăng<br /> hiệu suất phát sóng THz. 9. N. A. Hatab, C. H. Hsueh, A. L. Gaddis, S.<br /> T. Retterer, J.-H. Li, G. Eres, Z. Zhang, and<br /> B. Gu (2010), “Free-standing optical gold<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> bowtie nano antenna with variable gap<br /> 1. Ngô Bá Thưởng (2007), “Chế tạo và nghiên size for enhanced raman spectroscopy”,<br /> cứu tính chất của hạt vàng có kích thước Nano Letters, vol. 10, pp. 4952-4955.<br /> nano”, Khóa luận tốt nghiệp cử nhân Trường<br /> ĐHKH Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội. 10. S. S. Acimoviü, M. P. Kreuzer, M. U.<br /> González, and R. Quidant (2009), “Plasmon<br /> 2. Hoàng Thị Hiến (2012), “Mô hình hóa hiện near-field coupling in metal dimers as a step<br /> tượng SPR của các hạt nano kim loại,” Luận towards single-molecule sensing”, ACS<br /> văn Thạc sỹ Trường ĐHKH Tự nhiên, ĐHQG Nano, vol. 3, no. 5, pp. 1231-1237.<br /> Hà Nội.<br /> 11. S. Park, K. Jin, J. Ye, and K.H. Jeong<br /> 3. Trần Thu Hà (2011), “Hiện tượng cộng hưởng<br /> (2011), “Nanoplasmonic photoconductive<br /> plasmon bề mặt của các hạt nano kim loại,”<br /> antenna for high power terahertz emission”,<br /> Luận văn Thạc sỹ Trường ĐHKH Tự nhiên,<br /> IEEE 16th Int. Conference TRANSDUCERS,<br /> ĐHQG Hà Nội.<br /> pp. 2498-2501.<br /> 4. Nguyễn Khắc Thuận (2011), “Nghiên cứu<br /> tính chất điện - từ của hạt và màng mỏng Au 12. S. G. Park, K. H. Jin, M. Yi, J. C. Ye, J.<br /> có kích thước nano” Luận văn Thạc sỹ Ahn, and K. H. Jeong (2012),<br /> Trường ĐHKH Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội. “Enhancement of terahertz pulse emission<br /> by optical nano antenna”, ACS Nano, vol.6,<br /> 5. L. Tang, S.E. Kocabas, S. Latif, A. K. Okyay, no.3, pp. 2026-2031.<br /> D.S. Ly-Gagnon, K. C. Saraswat and D. a B.<br /> Miller (2008), “Nanometre-scale germanium 13. S. G. Park, Y. Choi, Y. J. Oh, and K. H.<br /> photodetector enhanced by a near-infrared Jeong (2012), “Terahertz photoconductive<br /> dipole antenna”, Nature Photonics, vol. 2, pp. antenna with metal nanoislands”, Optics<br /> 226-229. Express, vol.20, no.23, pp. 25530-25535.<br /> 6. K. Okamoto, I. Niki, A. Shvartser, Y. 14. T. J. Seok, A. Jamshidi, M. Kim, S. Dhuey,<br /> Narukawa, T. Mukai, and A. Scherer (2004), A. Lakhani, H. Choo, P. J. Schuck, S.<br /> “Surface-plasmon-enhanced light emitters Cabrini, A. M. Schwartzberg, J. Bokor, E.<br /> based on InGaN quantum wells”, Nature Yablonovitch, and M. C. Wu (2011),<br /> Materials, vol. 3, pp. 601-605. “Radiation Engineering of optical antennas<br /> 7. D. M. Koller, A. Hohenau, H. Ditlbacher, N. for maximum field enhancement”, Nano<br /> Galler, F. Reil, F. R. Aussenegg, A. Leitner, Letters, vol. 11, pp. 2606 – 2610.<br /> E. J. W. List, and J. R. Krenn (2008), 15. CST Microwave Studio, CST GmbH (2015)<br /> “Organic plasmon-emitting diode”, Nature trên website: http://www.cst.com.<br /> Photonics, vol. 2, pp. 684-687.<br /> <br /> <br /> <br /> Ngày nhận bài: 10/8/2015 Biên tập xong: 15/10/2015 Duyệt đăng: 20/10/2015<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 67<br />