关于dipole 靠近金属的nanowire 发光问题

[s104066466]

您好！ 我的模拟的架构如附件所示。

所用的材料是hyperbolic metamaterial，即hexagonal Au arrays in dielectric material里面。我的Au array之间的周期是44nm, Au nanowire 的直径是25nm. dipole source 的波长在500 - 1000nm

关于这个模拟我有两个问题：

1. 之前参考过 https://kb.lumerical.com/en/oleds_3d_oled_with_hexagonal_symmetr.html ，为了得到nanowire对dipole的综合影响，该网页对dipole在hexagonal unit的各种位置进行了扫描。我注意到在这个情况里面，dipole的wavelength 是400- 700nm, 而 oled hexagonal array的周期是450nm， 直径200nm。
   我的问题是： 对于我的架构，波长的range（500-1000nm） >> 周期(44nm)， 我还需要考虑dipole在unit cell里的不同位置吗？

2. 参考referrence Fluorescence quenching near small metal nanoparticles.pdf (287.3 KB)
   可知，实际上当dipole非常靠近metal surface（几nm甚至更小）时，dipole发出的能量更多是以non-radiative而不是荧光的形式出现，就是所谓quenching（荧光湮灭）。 我本来想把dipole放在我的hyperbolic metamaterial里面，即在Au nanowire之间，非常靠近Au nanowire. 但由于我的周期是44nm, 直径是25nm,则 2个nanowire之间的距离最多只有19nm. 即dipole如果放在该人工材料里面，离nanowire的垂直距离最多只有9.5nm.
   请问： 此时dipole很靠近金属表面时，得到的purcell的结果还是准确的吗？FDTD有考虑到dipole非常靠近金属表面的quenching现象吗？

[gsun]

A1：取决于你的研究目的。OLED仿真那样做是因为偶极子发光在整个发光层。你如果只是计算Purcell因子，因为结果与位置有关，你没有必要按OLED的方法。但是你得到的Purcell因子是此位置的。

A2：Purcel因子的计算实际上就是偶极子实际辐射功率与在均匀介质中的辐射功率之比 dipolepower(f)/sourcepower(f)，因此只要偶极子是位于非色散非吸收介质中，而且网格也不是特别小，结果应该是可靠的，参见说明。

但是网格小到多少就不准确了并没有统一的定义，因此需要测试，可以参考这个例子。

quenching效应应该不会直接考虑，因为它不能被麦克斯韦方程所表征，但是有可能通过修正材料模型来考虑量子效应，参见这个帖子。

[s104066466]

A1: 我的目的也是利用hyperbolic metamaterial作为大面积oled光源。 在这种情况下，我好像应该需要在unitcell里不同位置取点？ 因为我的unit cell的尺寸比我的光源小得多，我应该可以减少取点的位置的个数？

A2: 关于quench的问题，我的猜想是：
(1)不知道quench是否就是absorption？如果是，那材料有虚部即可
(2) purcell只是dipole在近场被激发出的光能，如果材料的虚部很大，能量马上转移到金属并消耗，则真正能emission到远场的光能仍然很少，即为quench? 我是参看 https://kb.lumerical.com/en/sp_fluorescence_enhancement.html 中的"QE" analysis 猜想的？

[gsun]

A1: 如果是大面积oled光源，那你应该按OLED的仿真方法进行。你读一下基本原理，跟unit cell的尺寸无关。

A21：这个就需要你进一步研究了，我的印象是quench与Non-Radiative辐射有关.
A22: 很可能如泥所说的，近场非辐射场可能耦合到金属上了，如果你能将它转化为辐射场，效率就提高了。

具体理论分析还是指望你了！

[s104066466]

A1: 既然nanowire structure是一个周期性结构，我是否可以把光源设置成平行光光源来分析呢？因我想染料是均匀铺在我的metamaterial的表面的，我们做unit cell 内的的 orientation和location的综合分析，也是为了得到isotropic的结果？我的目的是想要设计grating结构，把metamaterial内的光利用grating耦合出来，不知可以直接用平行光光源来分析吗？

A2: 我再研究看看quench，谢谢！

[gsun]

A1：所以我的第一个回复说要了解你的仿真目的。对于你的OLED，你是要研究发光特性（实际上是光提取），还是要研究平面波通过这个结构后的透射率反射率？应该是研究光提取吧？

如果是光提取，那就应该用unit cell 的方法。因为OLED发光是非相干的（实际上仍然有一定的相干度），这是需要用三个取向的偶极子（在没有对称性的情况下）；但是你知道偶极子在光子晶体不同地方的发光特性不同，所以需要研究偶极子在一个周期内任意位置的发光；由于光子晶体有对称性，所以可以简化；但是即使这样仿真的位置也很多，仿真时间很长。后来进一步简化，并通过将仿真与实验结果比较，我们采用了最少的偶极子位置来得到尽可能精确的结果。

放metamaterial和grating的主要目的应该是，破坏膜层结构固有的全反射现象，尽可能多地将偶极子的发光提取出来。当然，由于偶极子辐射功率与周围环境有关，偶极子的辐射功率也改变了。

请考虑上述解释，以及参考OLED仿真方法和例子，再来想想你要怎么做。
还有另外一种面光源的正确方法，（不是在光子晶体内放置很多偶极子），已经有人发表文献，但是我们还没有开发。平行光不能表征OLED的发光特性。