Au bowtie nanostructure 시뮬레이션

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bowtie

#1

아래 그림과 같이 Au bowtie 구조 위에 레이저 광원이 조사되는 nano-antenna 시스템의 모델링 및 near-field profile을 계산하는 방법에 대해서 알아보겠습니다 [1]. fsp 모델 파일lsf 스크립트 파일ITO의 굴절률(n, k) 데이타를 해당 링크에서 다운받으실 수 있습니다.

  1. 구조
    두께 50nm의 ITO / glass 위에 bowtie 모양의 삼각형 구조물(4 nm Ti / 30 nm Au)이 증착되어 있고, PMMA (n=1.49) 용액에 분산되어 있는 TPQDI 형광 물질이 이 위에 스핀코팅 되어 있습니다. Au bowtie 구조의 간격은 25 nm, 높이는 30 nm, 전체 길이는 175 nm 입니다. 파장이 780 nm인 레이저 광원이 구조물 위에 x-축 방향으로 편광 되어(x-polarized) 있고, 전체 구조가 PMMA 용액에 담궈져 있다고 가정합니다.

  2. Bowtie 구조 이미지 추출
    Ti/Au bowtie 구조는 power point(PPT), visio 등을 이용하여 구조체를 스케치하거나, 논문에 나와 있는 구조체 그림을 직접 paint.net(PND)이나 photoshop 등의 image processing 툴을 이용하여 하얀 윤곽선 안의 구조체만 추출할 수 있습니다. 추출한 이미지를 통해서 구조체를 모델링할 수 있으며, 자세한 방법은 PPT를 이용한 모델링 KX post를 참고하세요.

  3. FDTD 모델링

  • ITO 층: ITO의 굴절률은 물질 library에 포함되어 있지 않으므로, 이 링크를 통해서 n, k 값을 추출할 수 있습니다. 추출한 굴절률 n, k 값을 import하는 자세한 과정은 굴절률을 추가하는 방법 KX post를 참고하세요.
  • Ti/ Au bowtie 구조: 위의 이미지 추출 방법을 이용해서 차례대로 4nm 두께의 Ti bowtie 구조와 30nm 두께의 Au bowtie 구조 이미지를 import하여, 이 구조체를 모델링할 수 있습니다.
  • PMMA 용액: TPQDI라는 형광물질이 분산된 PMMA 용액이 Au bowtie 구조체를 전체적으로 덮고 있으며, 형광물질의 굴절률은 고려하지 않고 PMMA의 용액의 굴절률 n = 1.49만 background index에 입력합니다. 자세한 내용은 background index를 변경하는 방법 KX post를 참고하세요.
  • 광원: x축으로 편광되어 있고 z축의 아래 방향으로 진행하는 780 nm 단파장을 갖는 planewave source를 구조체 위에 위치시켰습니다.
  • 경계조건(BC): 구조체 및 광원이 x,y 축에 대해 대칭성이 있는 단일 구조물이라고 가정했을 때, 아래와 같은 BCs을 부여할 수 있으며, 자세한 내용은 대칭성 있는 물체의 BC 부여방법 KX post를 참고하세요.
  • 메쉬: Au bowtie의 전체 크기, 구조체 사이에 형성된 nanopap의 크기, 구조체 모서리의 반경 등을 고려하여 구조체 주변부에 dx = dy = dz = 1 nm 크기의 override mesh를 부여했습니다.
  1. 시뮬레이션 결과
    아래 그림을 통해서 참고문헌의 계산결과(우측)와 FDTD Solution의 계산결과(좌측)가 거의 유사함을 알 수 있습니다. xy 평면에서 E-field profile을 보면, Au bowtie 구조체의 surface plasmons 특성으로 인해서 bowtie 사이에서 형성된 nanogap에서 강하게 전기장이 증폭되고, bowtie 주변부에도 전기장이 증가된 것을 확인하실 수 있습니다. xz 평면에서 E-field porfile 결과에서 bowtie 사이에서 증폭된 전기장이 아래쪽 ITO 기판에도 영향을 미치고 있음을 알 수 있습니다.

References

[1] Kinkhabwala, A. et al. Large single-molecule fluorescence enhancements produced by a bowtie nanoantenna. Nature Photonics 3, 654–657 (2009).