Frame-particle 모양의 금나노 입자 시뮬레이션

structure
nano-particle

#1

안녕하세요 frame-particle 모양의 금나노 입자 관련 해서 문의 드립니다.
제가 알기론 fdtd 의 경우 classical system 과 quantum system 이 구분이 안가는 걸로 알고 있습니다.
ring-disk 구조에서 ring과 disk 간의 간격이 sub 1 nm 일 경우 최근 논문들에 의하면 tunneling effect 가 생긴다고 보고가 되어있는데 이를 fdtd에서 고려가 가능한지요?
그리고 아래 첨부한 실제 frame-particle 구조의 입자를 간격이 PINF-small gap.fsp (655.2 KB)
PINF-large gap.fsp (626.3 KB)
다를 경우 simulation을 한 결과 extinction 형태가 달라짐을 확인 하였습니다. 그리고 저희가 simulation한 것이 실제 실험값과 좀 다른 경향성을 보여 저희 구조체에 문제가 있는지 아니면 혹시 제대로된 frame-particle 구조 구현 관련해서 어떻게 하면 좋을지 문의 드립니다. 기존 ring-disk simulation 결과들의 경우 broad 한 peak이 assign이 되지만 저희의 경우 너무 sharp한 것 같아 질문 드립니다.
감사합니다.


#2

안녕하세요, @soenghoon.

FDTD Solutions 는 Maxwell’s equation 을 풀어주는 도구입니다. 따라서, 언급하신 tunneling effect 가 Lumerical 에서 제공하는 다양한 물질을 바탕으로 하여 Maxwell’s equation 으로 기술할 수 없는 것이라면 FDTD Solutions 에서 제대로 다룰 수가 없습니다. 이는 관련 수식을 보고서 판단을 해야할 사항입니다.

두번째 질문의 요지는 시뮬레이션 결과가 예상하는 것과 달라서 시뮬레이션 상에 어떤 문제가 있는 것은 아닌가하는 것으로 파악됩니다. 이렇게 시뮬레이션 결과의 신뢰성을 검증하기위해서는 그 결과를 신뢰를 할 수 있는 대등한 비교 대상을 놓고서 비교를 해야 할 것 같습니다. 시뮬레이션에서는 frame-particle 구조인데, 이는 비교하고자 하는 ring 또는 disk 와 확연히 다룬 구조로서 그 비교가 얼마나 의미가 있을 지 의문입니다. 그리고, 서로 다른 구조물을 기준으로하여 현재의 시뮬레이션이 무엇이 잘못되었는가를 찾는 것은 유효한 접근법이 아니지 않을까 생각해 봅니다. 혹시 frame-particle 에 대한 실험 또는 시뮬레이션 결과를 보여주는 reference 가 있다면 알려주시기 바랍니다. 시뮬레이션 설정 자체만으로는 별 문제가 없어 보입니다.
그리고, frame particle 의 구조체 문제를 언급하셨는데, 이또한 비교할 대상에 대한 정보나 어떤 식으로 디자인 하고 싶은 것인지 구조물이 fully define 될 수 있도록 관련 parameter 를 알려주시면 그에 맞게 structure group 을 만드는 것을 도와드릴 수 있습니다.


#3

안녕하세요. 저희가 simulation 하고 싶은 image와 실험 UV-vis을 첨부 파일로 보냅니다.
그리고 아래 논문들은 저희와 같은 구조체는 아니지만 비슷한 concept의구조체로써 subradiant와 superradiant를 계산한 논문입니다.
감사합니다

Experimental realization of subradiant, superradiant, and fano resonances in ring/disk plasmonic nanocavities

Highly controlled synthesis and super-radiant photoluminescence of plasmonic cube-in-cube nanoparticles


#4

위 image 에 보이는 구조물은 아래 그림의 (A) 와 같은 기본구조에 random particles 가 더해져서 결국은 (B) 와 같은 구조로 표현을 해줄 수 있을 듯합니다.

실제 실험에서는 사용하는beam 의 spot size 가 하나의 구조물보다는 훨씬 클 것으로 짐작되며, 또한 이웃한 구조물들의 모양을 보면 기본적으로 (A) 와 같은 모양을 갖추고 있지만 그외에 다른 particles 는 random 한 경향을 보이고 있습니다. 따라서, 실제 실험을 통해 얻는 absorption spectrum은 random 구조물의 average sum 으로 생각할 수 있습니다. 이와 같은 상황을 시뮬레이션에서 제대로 반영해 주기위해서는 다음과 같은 접근법이 필요한 것으로 판단됩니다.

i) 단순한 (A) 모델을 바탕으로 다양한 파라미터에 따른 결과를 도출하고, 이를 통해 대략적인 경향을 이해하는 과정이 필요해 보입니다.

ii) (B) 모델에서 ‘seed’ 값을 바꾸어주면서 다양한 randomness 에 대해서 일련의 시뮬레이션을 해주고 그 결과를 평균을 취해 줍니다. 단, 위의 image 에서 random particle 의 갯수, 크기 등의 값들을 추출을 하고 이 측정값을 바탕으로 시뮬레이션의 파라미터 값들을 정해주면 보다 실제 상황에 가까운 시뮬레이션을 할 수 있을 것입니다. 얼마나 많은 시뮬레이션을 돌리고 평균을 낼지는 그 수렴하는 정도를 보면서 판단해야 할 것으로 보입니다.

위의 (A)와 (B) 구조물들을 포함하는 시뮬레이션 파일 [4787_frame_particle.fsp (282.5 KB) ] 을 첨부합니다. Random particle의 분포를 바꾸려면, structure group 의 User properties 에서 ‘seed’ 의 값을 달리 해주면 됩니다. 각 파라미터의 정의는 ‘Script’ tab 의 처음 부분을 참고하시기 바랍니다.


#5

좋은 답변 감사합니다.
혹시 3d-max로 modeling한 구조체를 FDTD 시뮬레이션으로 돌릴 수 있을까요?
model을 대체 가능하면 방법을 알려주시면 감사하겠습니다.


#6

외부 CAD software 를 이용해 형성한 구조체를 Lumerical 에서 읽어들이기 위해서는 stl 포맷으로 파일을 저장하고, 이를 Lumerical 의 stl import 기능을 이용하면 됩니다. 하지만, 이 import 기능에는 다소 제한이 있으므로, 그 사용법을 숙지한 후에 사용하시기 바랍니다.

Import - STL
Generating valid STL files for import
Error for importing STL file format