Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Большинство фотонных технологий, применяемых до сих пор, сталкиваются с недостаточной скоростью генерации фотонов для практической реализации и требуют значительного усиления взаимодействия между светом и веществом. Это усиление может достигаться с помощью различных резонаторных систем. Одной из наиболее перспективной системой может являться так называемая система наночастица на металле или, другими словами, наночастица на зеркале [1]. Данная структура представляет собой наночастицу определённой формы, которая выступает в роли антенны, размещённую над плоскостью металла с небольшим зазором между частицей и металлом. Главной особенностью предлагаемой геометрии является возможность концентрировать электромагнитное поле в крайне малом объеме (< 50 нм) внутри зазора наноантенны [2]. Данное свойство крайне необходимо для различных задач в нанофотонике, таких как увеличение количества извлекаемых фотонов от квантовых излучателей на основе эффекта Парселла [3].
В данной работе с помощью компьютерного моделирования исследуются резонансные свойства гибридной наноантенны на основе кремниевой наносферы, расположенной на золотой подложке (конфигурация 1, К1). Наряду с K1 рассматривается альтернативная конфигурация (К2) подобной системы с использованием субмикронной полости в слое металла для дополнительного управления резонансными свойствами антенны.
К1 представляет собой кремниевую сферу диаметром 180 нм, расположенную над плоской золотой поверхностью с воздушным зазором в 10 нм (рис. 1). Система находится в диэлектрической среде с показателем преломления n = 1 (воздух) и освещается плоско-поляризованной монохроматичной волной в диапазоне длин волн от 400 нм до 800 нм. Значения комплексного показателя преломления для кремния и золота взяты из литературы [4, 5].
По результатам численного моделирования в пакете Comsol были получены зависимости сечения рассеяния частицы от длины волны электромагнитного излучения для трёх случаев падения волны — под углом 0° и под углом 45° с s — и p-поляризацией света. Получены зависимости сечения рассеяния кремниевой наночастицы от длины волны в двух конфигурациях: вдали от золотой подложки (K0) и вблизи нее (K1). Было обнаружено, что кремниевая частица на воздухе (без присутствия золота) обладает двумя наиболее выраженными пиками рассеяниями (555 и 705 нм), которые формируются за счет электрических и магнитных диполей, соответственно (рис. 2, А). В случае К1 в спектре рассеяния формируется один максимум (660 нм) (рис. 2, В), образованный с помощью гибридной моды на основе магнитного и электрического диполей [6]. Максимальное значение нового резонанса превышает значение старого в 5 раз. Положение основного пика, формирующегося в К1, не претерпевает существенных изменений в зависимости от угла и поляризации падающего излучения, но его пиковое значение уменьшается вдвое в случае угла падения волны в 45° (рис. 2, C). Также появляется дополнительный пик при освещении системы p-поляризованной волной на длине волны 700 нм (рис. 2, D). Благодаря пятикратному увеличению сечения рассеяния наночастицы, наблюдается значительное локальное усиление электромагнитного поля вблизи наночастицы, десятикратно превышающее усиление в случае отсутствия металла (рис. 2, E, F).
Также в работе исследуется модифицированная конфигурация K2 (рис. 3, А), которая отличается от K1 тем, что кремниевая сфера помещается с сохранением зазора в 10 нм в цилиндрическую субмикронную полость в металле (лунку), диаметр которой варьируется от 540 до 720 нм, а глубина — от 220 до 400 нм. При падении волны под углом 0° наблюдается расщепление основного максимума рассеяния, наблюдаемого у К1, на два максимума (590 и 720 нм) в случае К2 (рис. 3, B). При этом значения двух максимумов незначительно отличаются от максимума рассеяния для K1. Это может объясняться эффектом (резонансом) Фано [7]. В случае падения p-поляризованной волны расщепление пропадает и остается один максимум, с характерной длиной волны 720 нм. При изменении глубины и диаметра лунки были получены зависимости относительного усиления поля в зазоре под частицей от длины волны (рис. 3, C, D). Результаты показали, что максимальное усиление поля растет вместе с увеличением диаметра лунки, в то время как характерные ему длины волн слабо реагируют на изменение размеров полости в выбранных диапазонах. Это может быть полезным свойством в тех ситуациях, когда не требуется высокая точность изготовления подобных структур. При этом дополнительно можно управлять данными резонансами путем перестройки угла падения волны.
Результаты проведенного моделирования показывают возможность применения гибридных наноантенных устройств на основе кремниевой наносферы внутри металлической полости в нанофотонных приложениях. Одно из таких приложений — усиление света от различных квантовых излучателей, например, от квантовых точек, органических молекул или люминесцентных дефектов в нанокристаллах [8]. Предложенная наноантенна с двумя спектрально разделенными резонансами может позволить настраивать концентрацию электрических полей вблизи эмиттеров, усиливая не только их излучение, но и поглощение.
