MIM 플라즈모닉 메타물질흡수체의 Cross-section 환경설정 문의 件

안녕하세요.

MIM(Metal-Insulator-Metal) metamaterial absorber 를 메타표면 경계조건 (Periodic boundary condition) 으로 Absorption cross-section 과 Scattering cross-section 을 확인하기 위해서 FDTD 설정을 시도하였는데 원했던 cross section 결과값이 다르게 나와서 이렇게 문의드립니다. TFSF source 를 사용하였으며, TFSF source 범위 내에 Analysis group 으로 absorption cross-section 범위와, TFSF source 범위 밖에 scattering cross-section 범위를 설정하였습니다.
현재 Setting 에서 Plan wave 를 사용하였을 시, Perfect Absorption (Reflection monitor) 이 발생하는 공진파장에서 absorption cross-section 과 scattering cross-section 값이 일치하여야하는데 그렇지 않아서 이렇게 문의드립니다. Cross-section 결과를 확인할 때는 TFSF source 를 이용하였습니다. 혹시 cross-section 을 Monitoring 하는데 시뮬레이션 Setting 에 문제가 있는건가요? 확인요청 드립니다.

항상 도움을 주셔서 감사합니다.

MIM_Metamaterial Absorber_Cross-section Setting.fsp (364.9 KB)

질문의 요지는 perfect absorption 이 일어나는 파장에서의 absorption cross-section 과 scattering cross-section 이 일치하여야 하는데, 왜 차이가 나는가 하는 것입니다. 첨부한 시뮬레이션 파일에서는 substrate 가 loss 가 있는 Au 로 두 analysis group 의 z-span 에 따라 absorption 이 계산되는 값이 달라질 가능성이 있을 수 있으므로, 파일을 수정하여 substrate 를 PEC 로 하고 테스트를 해보았습니다.
65344_R2.fsp (351.1 KB)

TFSF source 를 사용하여 시뮬레이션하고, 각각의 cross-section analysis group 에 있는 “z2” 모니터의 transmission 값을 보면 다음과 같이 3.06 \(\mu m\) 파장에서 차이가 납니다. 특별히 주목할 점은 scattering analysis group 의 “z2” 의 T 값이 1.2 정도로 1보다 크다는 점입니다.

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이로부터 TFSF 의 사용과 관련하여 어떤 설정상의 문제가 있는 것은 아닐까 의심해 볼 수 있는데, 이는 TFSF 를 사용하지 않고 planewave 를 사용해서 시뮬레이션을 하고, 다음의 관계를 이용하여 scattered field 를 직접 구하고, 이로부터 Poynting vector 를 면적분하여 transmission 을 계산해 봄으로써 확인을 해볼 수 있습니다.

\[E_{scat} = E_{tot} - E_{ref}\]
첨부한 시뮬레이션 파일을 load 하고 첨부한 스크립트(65344_R2.lsf)를 실행하면 다음과 같이 TFSF 의 결과와 동일한 결과를 얻게 됩니다.

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이로부터 TFSF 계산 자체에는 아무런 문제가 없음을 확인할 수 있습니다.

사실 시뮬레이션 자체에는 별다른 문제가 없으며, 근본적인 문제점은 substrate 가 있는 particle scattering 에서 일반적으로 standalone particle 에 적용되는 “cross-section” 이라는 figure of merit 을 적용하는 해석 자체에 있는 것으로 보입니다. Substrate 가 있는 경우에는 통상적인 cross-section 이 아닌, 아래 예와 같이 differential cross-section 이 의미있는 figure of merit 이 아닌가 생각합니다.

안녕하세요.

시뮬레이션 진행결과, FDTD의 결과와 Theory 의 결과가 동일하게 나옵니다.
도움을 주셔서 감사합니다.

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