URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Polarizasyon Bağımsız Plazmonik Nanoanten Dizilerinde Metal
Kalınlığının Etkisinin İncelenmesi
Ekin ASLAN1*, Sabri KAYA1,2, Mustafa TÜRKMEN1
1
Erciyes Üniversitesi
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü
Talas, Kayseri
[email protected], [email protected], [email protected],
2
Department of Electrical and Computer Engineering
Boston University
Boston, USA
Özet: Farklı geometrilerdeki metal nanoyapıların optik frekanslardaki spektral davranışları, nanoanten
dizilerinin önemli analiz araçlarıdır [1-3]. Dalga boyundan daha küçük yapılardaki metal nano yapılar içeren
nanoplazmoniklerin [4] polarizasyon duyarlılığı ve metal kaplama kalınlığının etkisi ise uygulama açısından
önem taşımaktadır. Sıcak noktaların polarizasyon bağımsız olması ve metal yüzeyi üzerindeki plazmon oluşumu
özellikle kimyasal ve biyolojik algılama gibi uygulamalarda incelenen optik özelliklerdir [5]. Bu çalışmada SiNx
taban malzemesi ve Au kaplama üzerine Kudüs haçı şeklindeki metal açıklıkların polarizasyon duyarlılığı ve
farklı metal kalınlıkları için spektral davranışları analiz edilmiştir. Nümerik analizlerde, Kudüs haçı şeklindeki
açıklık nanoanten dizilerinin analizleri FDTD yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir.
Abstract: The spectral behaviors of metallic nanostructures with different geometries are the significant
analysis tools of nanoantenna arrays [1-3]. The polarization sensitivity of nanoplasmonics which contain
subwavelength metallic nanostructures and the effect of metal thickness also carry weight with applications [4].
The polarization dependence of hot points and the plasmon excitation on metal surface are the optical properties
that are examined for applications such as chemical and biological detections [5]. In this study, the polarization
sensitivity and the spectral responses for different metal thicknesses of Jerusalem cross-shaped aperture arrays
on Au overlay and SiNx substrate are analyzed. In numerical analysis, the Jerusalem cross-shaped aperture
nanoantenna cell is performed with FDTD (Finite Difference Time Domain) method.
1. Giriş
Şekil 1. Kudüs haçı şeklindeki açıklık nanoanten dizisinin birim hücresinin şematik görünümü. (a) Yapının
kuşbakışı görünümü (a, açıklık genişliği; b, kol uzunluğu; d, kama genişliği; px ve py periyotlar). (b) Yapının
kesit görünümü (hm, altın kalınlığı; hs, dielektrik taban malzemesi kalınlığı; , geliş açısı; , polarizasyon açısı).
Şekil 1'de Kudüs haçı şeklindeki nanoanten dizisinin birim hücresi gösterilmektedir. Burada a açıklık genişliğini,
b kol uzunluğunu, d kama genişliği, px ve py ise x ve y yönündeki periyotları göstermektedir. Bu çalışmada SiNx
taban malzemesinin kalınlığı hs= 100 nm olarak alınmıştır. Kudüs haçı şeklindeki açıklıklar hm kalınlıklı altın
yüzey içerisinde yer almaktadır. Kudüs haçı şeklindeki nanoanten dizisinin spektral cevabı FDTD metodu
kullanılarak belirlenmiştir. Polarizasyon açısının ve geliş açısının Kudüs haçı şeklindeki nanoanten dizisinin
spektral cevabına etkisi incelenirken metal kalınlığı hm=30 nm olarak alınmıştır. Metal kalınlığının yapının
spektral cevabına etkisi incelenirken de x yönünde polarizasyonlu (
) ışığın dik geldiği (
) kabul
edilmiştir.
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
2. Nümerik Analizler
Kudüs haçı şeklindeki nanoanten dizisine ışığın dik gelişi (
) durumunda farklı polarizasyon açıları ( ) için
spektral cevaplar Şekil 2'de verilmiştir. Işığın dik gelişi durumunda farklı polarizasyon açıları için spektral
cevaplarının değişmediği Şekil 2'den açıkça görülmektedir. Sunulan nanoanten dizisi polarizasyondan bağımsız
iki rezonansa sahiptir. Bu rezonans değerleri dalga sayısı cinsinden 817.7
ve 2551.3
'dir.
Şekil 2. Kudüs haçı şeklindeki nanoanten dizisine ışığın dik gelişi (
) durumunda farklı polarizasyon
açıları ( ) için spektral cevapları; (a) Reflektans cevabı, (b) Transmitans cevabı, (c) Absorbans cevabı
(
).
Şekil 3. İlgili nanoanten dizisinin, -polarizeli geliş için (
) farklı geliş açıları ( ) için spektral
cevapları; (a) Reflektans cevabı, (b) Transmitans cevabı, (c) Absorbans cevabı (
Şekil 4. İlgili nanoanten dizisinin, kaynak dalgasının
eğik gelişi durumunda farklı polarizasyon
açıları ( ) için spektral cevapları; (a) Reflektans cevabı, (b) Transmitans cevabı, (c) Absorbans cevabı
(
Şekil 3'te ışığın -polarizeli gelmesi durumunda farklı geliş açıları için spektral değişimler verilmiştir. Işığın
-polarizeli gelmesi durumunda da farklı geliş açıları için yapının rezonans dalga sayıları değişmemekte ve
sadece rezonans piklerinin şiddeti değişmektedir.
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Kaynak dalgasının
eğik gelişi durumunda farklı polarizasyon açıları ( ) için ilgili nanoanten dizisinin
spektral davranışları ise Şekil 4'te verilmiştir. Eğik geliş durumunda da polarizasyon açısının değişimine karşılık
nanoanten dizisinin polarizasyon bağımsız davrandığı Şekil 4'den anlaşılmaktadır. Ancak rezonans pik şiddetleri
dik gelişteki değişimine oranla düşük değerdedir.
Kudüs haçı şeklindeki nanoanten dizisine x yönünde (
) polarizeli ışığın dik gelişi (
) durumunda
farklı metal kalınlıkları ( ) için spektral cevaplar da Şekil 5'te verilmektedir. Şekil 5'te görüldüğü gibi altın
kalınlığı arttıkça rezonans dalga sayıları artmaktadır.
Şekil 5. İlgili nanoanten dizisinin, farklı metal kalınlıkları (
cevabı, (b) Transmitans cevabı, (c) Absorbans cevabı (
) için spektral cevapları; (a) Reflektans
3. Sonuçlar
Bu çalışmada Kudüs haçı şeklindeki nanoanten dizilerinin spektral cevaplarının, ışığın geliş açısına ve
polarizasyonuna bağlılığı incelenmiştir. Çalışma sonucunda, kızılötesi (infrared: IR) bölgede çift rezonansa
(817.7
ve 2551.3
) sahip Kudüs haçı şeklindeki nanoanten dizisinin spektral cevabının
polarizasyondan bağımsız olduğu görülmüştür. Bu da lazer kaynaklı FTIR (Fourier transform infrared
spectroscopy: Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi) ile karakterize edilen biyosensör çip uygulamaları
için uygundur.
-polarizeli geliş durumunda farklı geliş açıları için rezonans frekanslarının değişmemesi
algılama uygulamaları açısından avantaj sağlar. Kudüs haçı şeklindeki nanoanten dizisine x yönünde (
)
polarizeli ışığın dik gelişi (
) durumunda farklı metal kalınlıklarına bağlı olarak rezonans dalga sayılarının
değiştiği görülmüştür. Kudüs haçı şeklindeki nanoanten dizisinde kullanılan metalin kalınlığı arttıkça rezonans
dalga sayısı artmaktadır. Polarizasyondan bağımsız bu yapı, metal kalınlığı değiştirilerek ve rezonanslar istenilen
rezonans dalga sayılarına ayarlanarak biyosensör uygulamalarında kullanılabilir.
Teşekkür
Bu çalışma TÜBİTAK (Türkiye Bilimsel Araştırma Kurumu) tarafından desteklenmektedir. Proje No:
TÜBİTAK - 113E277, 2013.
Kaynaklar
[1]. Aslan E. and Turkmen M., “Novel dual-band resonator nanoantenna array for infrared detection
applications,” Sensors and Materials, 25 (9), s.689-696, 2013.
[2]. Turkmen M., Aksu S., Çetin A. E., Yanik A. A. and Altug H., “Multi-resonant metamaterials based on UTshaped nano-aperture antennas”, Opt. Express, 19, s.7921, 2011.
[3]. Turkmen M., "Characterization of x-shaped nano-aperture antenna arrays operating in mid-infrared regime,"
Chin. Opt. Lett., 11, 070501, 2013.
[4]. M. L. Brongersma, “Plasmonics: Engineering optical nanoantennas,” Nat. Photon., 2, s.270–272, 2008.
[5]. Wei H., Hao F., Huang Y., Wang W., Nordlander P., and Xu H., “Polarization Dependence of SurfaceEnhanced Raman Scattering in Gold Nanoparticle-Nanowire Systems,” Nano Lett., 8(8), s.2497-2502, 2008.
Download

124