Tính hấp thụ ánh sáng của các Plasmonic Nano Anten có cấu trúc hình học khác nhau - Nguyễn Thị Thanh Kiều

TAÏP CHÍ KHOA HOÏC ÑAÏI HOÏC SAØI GOØN Soá 8(33) - Thaùng 10/2015 57 Tính hấp thụ ánh sáng của các Plasmonic Nano Anten có cấu trúc hình học khác nhau Optical absorption characteristics of plasmonic nano anten with different geometries 1 CN. Nguyễn Thị Thanh Kiều, 2 ThS. Hứa Thị Hoàng Yến, 3 ThS. Huỳnh Văn Tuấn, 123 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQG TP.HCM 4 TS. Nguyễn Trương Khang 4 Trường Đại học Tôn Đức Thắng 1 B.A. Nguyen Thi Thanh Kieu, 2 M.Sc. Hua Thi Hoang Yen, 3 M.Sc. Huynh Van Tuan, 123 The University of Science – National University Ho Chi Minh City 4 Ph.D. Nguyen Truong Khang 4 Ton Duc Thang University Tóm tắt Trong bài báo này, chúng tôi trình bày tính chất cộng hưởng ánh sáng của các lưỡng cực plasmonic nano anten với các dạng hình học khác nhau, đó là cấu trúc hình chữ nhật (rectangular), hình vuông (square), và hình tròn (circular). Phổ hấp thụ và phản xạ của từng cấu trúc nano anten được khảo sát và tối ưu hóa tại tần số 375THz, tương ứng với bước sóng 800nm của nguồn kích thích. Kết quả mô phỏng cho thấy, cấu trúc hình tròn cho độ tập trung và giam hãm điện trường tại vùng kích thích cao nhất, đồng thời cho hệ số phản xạ và phát xạ trường xa tốt nhất, trong sự so sánh giữa các cấu trúc. Nghiên cứu này hữu ích cho các nhà thiết kế trong việc lựa chọn các cấu trúc lưỡng cực plasmonic nano anten thích hợp khi muốn kết hợp với anten quang dẫn nhằm tăng hiệu suất trong hệ thu/phát sóng Terahertz. Từ khóa: hiện tượng cộng hưởng plamon bề mặt, nano anten, sự hấp thụ, sự phản xạ, phát xạ trường xa Abstract In this paper, we investigate the optical absorption characteristics of plasmonic dipole nano antenna with different geometries; they are rectangular dipole, square dipole, and circular dipole. Absorption and reflection profile of each nano antenna are characterized and optimized at the resonance frequency of 375 THz, which corresponding to the wavelength of the incident light at 800 nm. Numerical results show that the circular nano antenna produces the most enhanced electric field at the excitation gap in addition with the best reflection and far-field radiation characteristics. This research is useful for the researcher and designer in chossing appropriate plasmonic dipole nano antennas when incorporating with a photoconductive antenna for terahertz radiation enhancement. Keywords: surface plasmon resonance, nano-antenna, absorption, reflection, far-field radiation 58 1. Mở đầu Hiệu ứng giam cầm lượng tử trong các vật liệu kích thước nanomet khiến cho vật liệu có các tính chất đặc biệt như hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước, hiệu ứng cộng hưởng plasmon Khi các điện tử tự do trong cấu trúc nano (nanostructure) hấp thụ ánh sáng chiếu vào dẫn đến hiện tượng được gọi là hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ (LSPR- Localized surface plasmon resonance) [1], [2], [3], [4]. Dưới tác dụng của điện từ trường bên ngoài như ánh sáng sẽ dẫn đến sự dao động tập thể của các điện tử tự do, và theo đó dẫn đến sự phân cực của các hạt nano thành một lưỡng cực điện. Tần số cộng hưởng của lưỡng cực này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình dáng và độ lớn của cấu trúc nano, lớp vật liệu đế, hay độ phân cực của ánh sáng kích thích. Au SiO2 Au Au Side View Tgold g T x z y g LR WR Top View SiO2x y z (a) (b) g LS WS Top View SiO2x y z g Top View SiO2 LC DC x y z (c) (d) Hình 1. (a) Sơ đồ mặt cắt của các plasmonic nano anten; Plasmonic nano anten: (b) hình chữ nhật (Rectangular); (c) hình vuông (Square); (d) hình tròn (Circular). Plasmonic nano anten là một loại anten có kích thước nanomet, do đó nó thể hiện được các đặc tính đặc biệt của một cấu trúc nano. Một số nghiên cứu mới đây đã công bố các ứng dụng của plasmonic nano anten như các bộ thu quang (photodetectors) [5], diode phát quang [6], [7], các tấm pin năng lượng mặt trời [8], SERS (Surface Raman Scattering) [9], cảm biến sinh học (biosensing) [10], hoặc sử dụng plasmonic nano anten trong anten quang dẫn để tăng cường công suất bức xạ Terahertz (THz) 59 [11], [12], [13]. Nhờ hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặc định xứ (LSPR), mỗi cấu trúc hình học của nano anten có sự hấp thụ ánh sáng khác nhau. Để có được sự hấp thụ ánh sáng tới tốt nhất đòi hỏi phải lựa chọn một cấu trúc nano anten có kích thước phù hợp. Hơn nữa, hiệu suất hoạt động của anten sẽ là tốt nhất khi tần số cộng hưởng của chúng gần với tần số nguồn kích thích. Cấu trúc truyền thống như hình chữ nhật được quan tâm rất nhiều [14]. Tuy nhiên, khi nghiên cứu và kiểm tra thực nghiệm về các nano anten này các nhà nghiên cứu chỉ quan tâm đến những kích thước có thể chế tạo được mà thiếu bước khảo sát kích thước nào tốt hơn để đưa vào thực tế. Trong bài báo này, chúng tôi sẽ thực hiện bước thiếu đó và tập trung nghiên cứu, khảo sát đặc tính hấp thụ của các plasmonic nano anten có các cấu trúc hình học khác nhau, đó là cấu trúc hình chữ nhật, hình vuông và hình tròn. Tất cả các cấu trúc được kích thích bằng ánh sáng tới có bước sóng 800nm (ứng với tần số 375THz), là bước sóng chuẩn của chùm ánh sáng được sử dụng trong SERS (Surface Enhanced Raman Scattering). Kết quả mô phỏng bằng cách sử dụng phần mềm mô phỏng CST MWS [15] cho thấy cấu trúc hình tròn cho khả năng giam hãm điện trường tới, đồng thời cho đồ thị phát xạ trường xa tốt nhất so với các cấu trúc còn lại. 2. Các cấu trúc hình học của plasmonic nano anten SiO2 Au Vacuum Plane wave Nanoantenna (Au) e h Probe Vacuum x y z SiO2 Au Vacuum Waveguide Port 1 Nanoantenna (Au) 1 2 Waveguide Port 2 Vacuum x y z PC (a) (b) Hình 2. Mô hình mô phỏng dùng để; a) quan sát điện trường giam hãm tại vùng kích thích; b) tính hệ số phản xạ của một mảng vô hạn hai chiều. Hình 1 biểu diễn mặt cắt ngang (side view) và cấu trúc hình học của ba cấu trúc nano anten nhìn từ phía trên (top view) gồm có: cấu trúc hình chữ nhật (rectangular), cấu trúc hình vuông (square), và cấu trúc hình tròn (circular). Hình 1a biểu diễn mặt cắt ngang của cấu trúc nano anten, cả ba cấu trúc nano anten được chế tạo từ vàng (Au) có bề dày là Tgold, các cấu trúc được ngăn cách với lớp đế vàng (Au) bởi một lớp bán dẫn loại SiO2 có bề dày được ký hiệu chung là T, khoảng cách 60 vùng kích thích (gap) nằm ở giữa hai điện cực của cả ba cấu trúc được ký hiệu là g. Hình 1b, 1c, và 1d biểu diễn cấu trúc hình học của nano anten hình chữ nhật, hình vuông, và hình tròn tương ứng, trong đó chiều rộng và tổng chiều dài của cấu trúc nano anten hình chữ nhật được ký hiệu là WR và LR. Chiều rộng và tổng chiều dài của cấu trúc nano anten hình vuông được ký hiệu là WS và LS. Đường kính và tổng chiều dài của cấu trúc nano anten hình tròn được ký hiệu là DC và LC. Bề dày lớp SiO2 của cấu trúc hình chữ nhật, hình vuông, và hình tròn lần lượt được ký hiệu là TR, TS, và TC. Trong một mảng vô hạn, các nano anten của cả ba cấu trúc cách nhau một khoảng được ký hiệu là PR, PS, và PC tương ứng với cấu trúc hình chữ nhật, hình vuông, và hình tròn. Các thông số thiết kế của cả ba cấu trúc nano anten sau khi tối ưu hóa tại vùng tần số 375THz như sau: cấu trúc hình chữ nhật (WR = 35nm, LR = 174nm, TR = 100nm, và PR = 550nm); cấu trúc hình vuông (WS = 78nm, LS =166nm, TS = 40nm, và PS = 600nm); cấu trúc hình tròn (DC = 94nm, LC = 198nm, TC = 60nm, và PC = 590nm); trong đó g = 10nm và Tgold = 25nm chung cho cả ba cấu trúc. 3. Mô phỏng bằng phần mềm CST MWS 200 250 300 350 400 450 500 -120 -90 -60 -30 0 30 ' '' Frequency (THz) ' -60 -48 -36 -24 -12 0 12 '' 200 250 300 350 400 450 500 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 ' '' Frequency (THz) ' 0.0 1.0x10 -6 2.0x10 -6 3.0x10 -6 4.0x10 -6 5.0x10 -6 '' (a) (b) Hình 3. Đồ thị điện tử tán xạ (electric dispersion curves) của (a) vàng (Au) và (b) SiO2 trong dải tần số từ 200 THz đến 500THz. Trong bài báo này, phần mềm CST MWS (CST Microwave Studio) [15] được sử dụng để mô phỏng các đặc tính của các cấu trúc nano anten. Hình 2a biểu diễn mô hình tính toán đặc tính hấp thụ năng lượng của nano anten, trong đó nguồn kích thích được sử dụng là sóng ánh sáng phẳng (plane wave) chiếu từ trên xuống, cường độ điện trường của ánh sáng kích thích này được đặt ban đầu là 1V/m và được phân cực dọc theo trục chính (trục x) của các nano anten. Một đầu dò (probe) được đặt tại giữa hai điện cực của nano anten (vùng kích thích) để thu năng lượng và thể hiện tính chất giam hãm điện trường tăng cường của cấu trúc. Mô hình này cũng cho phép ta quan sát đồ thị phát xạ trường xa của nano anten. Đặc tính phản xạ của nano anten với cấu trúc 61 mảng hai chiều vô hạn được mô phỏng bằng cách sử dụng mô hình ống dẫn sóng hai cổng như mô tả trong hình 2b. Trong mô hình này, hai điều kiện biên điện trường và từ trường lần lượt được áp vào dọc theo hướng ±x và ±y nhằm mô phỏng sự truyền sóng theo hướng chuẩn vuông góc trong mô hình ống dẫn sóng này. Hình 3 biểu diễn đồ thị điện tử tán xạ (electric dispersion curves) của vật liệu vàng (Au) và SiO2 tại vùng tần số khảo sát từ 200THz đến 500THz. Mô hình tán xạ của vật liệu vàng và SiO2 này được xác định trong thư viện vật liệu của CST MWS và được so khớp với các giá trị thực nghiệm đã được công bố bởi các nhóm nghiên cứu khác. 4. Kết quả và thảo luận 250 300 350 400 0 30 60 90 120 E -f ie ld ( V /m ) Frequency (THz) Rectangular Reference [14] 250 300 350 400 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 R e fl e c ti o n c o e ff ic ie n t Frequency (THz) Rectangular Reference [14] (a) (b) (c) Hình 4. (a)-(b) Kết quả mô phỏng về phổ năng lượng hấp thụ và kết quả mô phỏng phổ phản xạ của cấu trúc hình chữ nhật tham chiếu [14] và cấu trúc hình chữ nhật có các thông số thay đổi để tối ưu hóa hiệu suất hấp thụ tại 375 THz; c) kết quả thực nghiệm về phổ phản xạ của mảng nano anten hình chữ nhật khi thay đổi TSiO2 trong [14]. 62 7 8 9 10 11 12 350 360 370 380 390 400 F peak E peak g (nm) F p e a k ( T H z ) 100 130 160 190 E p ea k (V /m ) 20 40 60 80 100 350 360 370 380 390 400 F peak E peak T C (nm) F p ea k ( T H z) 100 110 120 130 E p ea k (V /m ) (a) (b) 182 190 198 206 214 350 360 370 380 390 400 F peak E peak L C (nm) F p e a k 100 110 120 130 E p ea k 550 570 590 610 630 350 360 370 380 390 400 F peak E peak P C (nm) F p e a k ( T H z ) 100 110 120 130 E p e a k (V /m ) (c) (d) Hình 5. Khảo sát tần số cộng hưởng Fpeak và điện trường giam hãm tại vùng kích thích Epeak tương ứng khi thay đổi các thông số thiết kế của nano anten hình tròn; (a) kích thước vùng kích thích g, (b) độ dày TC của lớp bán dẫn SiO2, (c) tổng chiều dài LC, (d) khoảng cách PC giữa các nano anten đơn vị trong mảng vô hạn. Đối với cấu trúc hình chữ nhật, đã có nhiều nhóm nghiên cứu về cấu trúc này, điển hình như nhóm nghiên cứu của T. J. Seok cùng cộng sự đã chứng minh thực nghiệm [14]. Trong cấu trúc tham chiếu này, chiều rộng và tổng chiều dài của nano anten là 45nm và 260nm, bề dày lớp kim loại vàng của cấu trúc là 25nm, kích thước vùng kích thích (gap) là 15nm, bề dày lớp bán dẫn SiO2 là 60nm, và khoảng cách giữa các nano anten trong mảng vô hạn là 600nm. Dưới sự kích thích của ánh sáng tới có bước sóng 800nm, cấu trúc này thu được đỉnh phổ năng lượng 85,6V/m tại tần số cộng hưởng khoảng 320THz, cách khá xa tần số cộng hưởng của ánh sáng kích thích (375THz). Vì vậy, từ cấu trúc trên chúng tôi tìm cách đưa đỉnh phổ năng lượng về tần số 375THz bằng cách thay đổi các thông số của cấu trúc. Kết quả chúng 63 320 340 360 380 400 420 0 40 80 120 160 E -f ie ld ( V /m ) Frequency (THz) Rectangular Square Circular 320 340 360 380 400 420 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 R e fl e c ti o n c o e ff ic ie n t Frequency (THz) Rectangular Square Circular (a) (b) Hình 6. a) Điện trường giam hãm tại vùng kích thích theo hàm tần số và (b) hệ số phản xạ theo hàm tần số của ba cấu trúc: hình chữ nhật (Rectangular), hình vuông (Square) và hình tròn (Circular). tôi thu được đỉnh phổ năng lượng cao nhất khoảng 110,3V/m tại tần số cộng hưởng 374,9THz được biểu diễn ở hình 4a, trong đó các thông số hình học của cấu trúc thay đổi tương ứng gồm chiều rộng (WR) và tổng chiều dài (LR) của nano anten là 35nm và 174 nm tương ứng, bề dày lớp kim loại (Tgold) của cấu trúc là 25nm, kích thước vùng kích thích (g) là 10nm, bề dày lớp bán dẫn SiO2 là 100nm, và khoảng cách giữa các nano anten trong mảng vô hạn là 550nm. Như vậy, sau khi thay đổi các thông số chúng tôi thu được đỉnh phổ năng lượng cao hơn đỉnh phổ năng lượng của cấu trúc hình chữ nhật do T. J. Seok cùng cộng sự thực hiện [14], trong đó tần số cộng hưởng thu được tương ứng 374,9THz gần với tần số của nguồn kích thích (375THz). Hình 4b chứng tỏ hệ số phản xạ của cấu trúc trong [14] nhỏ hơn hệ số phản xạ của cấu trúc hình chữ nhật đã được tối ưu, tuy nhiên tần số cộng hưởng tương ứng lại cách xa so với tần số của ánh sáng kích thích. Hình 4c là kết quả thực nghiệm do T. J. Seok cùng cộng sự thực hiện, so với kết quả mô phỏng tần số cộng hưởng trong thực nghiệm khoảng xấp xỉ 345THz (tức là λ=870nm, trường hợp 60nm SiO2), trong đó độ phản xạ (khoảng 0,45) lớn hơn nhiều so với mô phỏng (khoảng 0,02). Điều này có thể được giải thích do các điều kiện sử dụng trong mô phỏng là lý tưởng, còn trong thực nghiệm có thể do nhiều yếu tố ảnh hưởng như vật liệu chế tạo, hệ đo, điều kiện môi trường xung quanh, khiến cho độ phản xạ thực nghiệm không tốt bằng độ phản xạ mô phỏng. Kết quả ban đầu này cho chúng tôi rút ra hai điều. Một là, khẳng định tính đúng đắn của mô hình mô phỏng qua sự so sánh tần số đỉnh phổ hấp thụ trong mô phỏng, và tần số cộng hưởng trong thực nghiệm được trình bày trong hình 4c. Hai là, bằng cách khảo sát và tối ưu hóa dạng hình học của nano anten, ta có thể tăng hiệu suất hấp thụ tại tần số cộng hưởng mong muốn. Trong ba cấu trúc nano anten được khảo sát, chúng tôi chọn cấu trúc hình tròn để trình bày hồi đáp của 64 anten theo tần số khi thay đổi các thông số thiết kế, hai cấu trúc còn lại khảo sát tương tự. Chúng tôi tiến hành khảo sát cấu trúc hình tròn bằng cách thay đổi các thông số như g, TC, LC, và PC để được cấu trúc tốt nhất. Hình 5a cho thấy, thông số khoảng cách vùng kích thích g ảnh hưởng rất nhiều đến điện trường giam hãm tại tần số cộng hưởng Epeak. Khi khoảng cách vùng kích thích này càng bị thu hẹp, tần số cộng hưởng Fpeak càng giảm, nhưng điện trường giam hãm tại vùng kích thích Epeak tăng lên đáng kể. Điều này cho thấy, ta có thể tăng độ giam hãm điện trường lên đáng kể nếu có thể thu hẹp khoảng cách vùng kích thích này, ví dụ như Epeak có thể đạt đến gần 400V/m khi g giảm xuống đến 7nm. Trong cấu trúc tối ưu hóa, chúng tôi chọn g = 10nm vì hai lý do sau: thứ nhất, khoảng cách g = 10nm cho Epeak tối đa tại tần số cộng hưởng gần với tần số sóng tới (375THz) nhất. Thứ hai, nếu g quá nhỏ sẽ gây khó khăn nhiều trong quá trình chế tạo, chẳng hạn như gây ra hiện tượng ngắn mạch giữa 2 điện cực và như thế giảm hiệu suất tổng của cả mảng. Hình 5b cho thấy khi độ dày TC của lớp bán dẫn SiO2 thay đổi, cả Fpeak và Epeak đều thay đổi đáng kể, và thể hiện tính cộng hưởng. Cụ thể, khi TC tăng từ 20nm đến 100nm với bước tăng là 20nm, Fpeak tăng nhưng sau đó giảm, và tương tự Epeak tăng nhưng sau đó cũng giảm. Tại giá trị TC = 60nm, ta quan sát thấy Fpeak gần với tần số mong muốn 375THz nhất, và tại đó Epeak cũng cho giá trị cực đại. Tính chất này khá là thú vị, đã được kiểm chứng trong [14], và được nói rằng, khoảng cách từ nano anten đến bề mặt phản xạ (lớp đế Au) phải được chọn thỏa mãn điều kiện cộng hưởng khi ta xem lớp vật liệu bán dẫn SiO2 như một hốc cộng hưởng Fabry- Perot. Theo đó, tùy vào chiết suất của vật liệu bán dẫn, ta sẽ có những độ dày khác nhau. Hình 5c cho thấy khi LC tăng thì Fpeak giảm, điều này phù hợp với lý thuyết rằng, chiều dài anten tỷ lệ nghịch với tần số hoạt động của nó. Ta có thể tính được bước sóng hiệu dụng theo công thức: (1) trong đó, c là vận tốc ánh sáng 3×10 8 m/s, fo là tần số cộng hưởng (~375THz), và εeff là điện môi hiệu dụng của SiO2 (~2.4). Theo đó, bước sóng hiệu dụng sẽ vào khoảng 500nm. Theo lý thuyết, anten có chiều dài vào khoảng ½ bước sóng hiệu dụng này (L~ ~250nm) sẽ cho mode cộng hưởng đầu tiên. Kết quả sau khi tối ưu hóa đã cho ra LC ~ 200nm, như vậy là ngắn hơn chiều dài tính toán lý thuyết. Điều này có thể lý giải rằng, do trong cấu trúc khảo sát có sử x y z V/m 20 0 17.6 15.2 12.7 10.3 7.88 5.45 3.03 x y z V/m 20 0 17.6 15.2 12.7 10.3 7.88 5.45 3.03 x y z V/m 20 0 17.6 15.2 12.7 10.3 7.88 5.45 3.03 (a) (b) (c) Hình 7. Phân bố điện trường tại tần số cộng hưởng của các cấu trúc nano anten; a) cấu trúc hình chữ nhật; b) cấu trúc hình vuông; c) cấu trúc hình tròn. 65 x y z dBm2 -118 -127 -133 -139 -145 -152 -158 x y z dBm2 -118 -127 -133 -139 -145 -152 -158 x y z dBm2 -118 -127 -133 -139 -145 -152 -158 (a) (b) (c) Hình 8. Phổ phát xạ trường xa tại tần số cộng hưởng của các cấu trúc nano anten; a) cấu trúc hình chữ nhật; b) cấu trúc hình vuông; c) cấu trúc hình tròn. dụng mặt phẳng đế (Au), theo đó chiết suất hiệu dụng của cả cấu trúc tăng lên, làm cho bước sóng hiệu dụng bị thu ngắn lại. Nhờ mặt phẳng đế này, và nhờ hiện tượng tăng chiết suất hiệu dụng này, trường điện từ bắt cặp từ nano anten vào lớp SiO2 tăng lên đáng kể, và theo đó tăng tính hấp thụ ánh sáng tới. Bên cạnh đó, cấu trúc hình học dạng hình tròn cũng phần nào thu ngắn chiều dài của lưỡng cực điện. Xét về độ giam hãm điện trường, ta thấy chiều dài của nano anten ảnh hưởng không đáng kể khi Epeak chỉ thay đổi ít xung quanh giá trị 125V/m. Cuối cùng, hình 5d cho thấy khi chiều rộng PC của lớp bán dẫn SiO2 (cũng là chiều rộng của mặt phẳng phản xạ) tăng, tần số cộng hưởng Fpeak giảm, tuy nhiên điện trường giam hãm tại vùng kích thích Epeak tăng. Việc tăng chiều rộng của lớp bán dẫn sẽ dẫn đến sự tăng chiết suất hiệu dụng của cả cấu trúc. Theo đó, tần số cộng hưởng sẽ giảm, và độ giam hãm tập trung điện trường sẽ tăng do sóng tới được hấp thụ vào lớp bán dẫn này nhiều hơn. Do tần số cộng hưởng mong muốn xung quanh vùng 375THz, giá trị PC cho cấu trúc sau cùng được chọn vào khoảng 590nm. Qua việc khảo sát các thông số thiết kế của cấu trúc hình tròn, ta có thể rút ra kết luận rằng, diện tích vùng kích thích hay khoảng cách giữa hai điện cực ảnh hưởng đáng kể đến cường độ điện trường giam hãm, trong khi chiều dài của lưỡng cực quyết định tần số cộng hưởng của nano anten. Quan trọng hơn, độ dày của lớp bán dẫn phải được chọn thích hợp nhằm tối ưu hóa điện trường tăng cường nhờ vào cơ chế hoạt động như một hốc cộng hưởng Fabry- Perot. Các tính chất này được cho rằng sẽ thể hiện một cách tương tự đối với cấu trúc nano anten hình vuông cũng như nano anten hình chữ nhật. Theo đó, sau khi tối ưu hóa từng cầu trúc, chúng tôi thu được kết quả như sau: cấu trúc nano anten hình chữ nhật cho cho đỉnh phổ điện trường giam hãm có giá trị 110,3V/m tại tần số cộng hưởng là 374,9THz; cấu trúc nano anten hình vuông cho cho đỉnh phổ điện trường giam hãm có giá trị 92,2V/m tại tần số cộng hưởng là 372,8THz; cấu trúc nano anten hình tròn cho cho đỉnh phổ điện trường giam hãm có giá trị 125V/m tại tần số cộng hưởng là 374,3THz, xem thêm ở bảng 1. Hình 6 biểu diễn hồi đáp theo hàm tần số của điện trường giam hãm tại vùng kích thích và của hệ số phản xạ trong sự so sánh giữa ba cấu trúc đang khảo sát. Kết quả cho thấy, tần số cộng hưởng của điện trường giam hãm, hình 6a, gần như trùng với tần số cho hệ số phản xạ cực tiểu, hình 66 6b. Kết quả này cho thấy rằng, các cấu trúc khảo sát hoạt động tốt ở tần số mong muốn là 375THz, và theo đó sẽ hấp thụ ánh sáng tối đa tại tần số này. Đánh giá tổng quát rằng, cấu trúc hình tròn cho cường độ điện trường giam hãm tập trung tại vùng kích thích cao nhất, đồng thời cấu trúc hình tròn cũng cho hệ số phản xạ tốt nhất, gần như không có phản xạ, so với hai cấu trúc còn lại. Điều này phần nào giải thích sự ưa chuộng khi sử dụng các chấm lượng tử quang học trong việc tăng cường tính hấp thụ ánh sáng tới trong các thiết kế gần đây. Hình 7 và 8 lần lượt mô tả phân bố điện trường quan sát tại trường gần (near-field) và đồ thị phát xạ trường xa (far-field) của ba cấu trúc nano anten đang khảo sát. Ta thấy, điện trường phân bố tập trung tại vùng kích thích và hai đầu cuối của nano anten như thường thấy trong các lưỡng cực điện ở tần số thấp. Đồ thị phát xạ trường xa của cấu trúc hình tròn được đánh giá là tốt nhất so với hai cấu trúc hình chữ nhật và hình vuông. Quan sát ta thấy, phát xạ ngược (back-radiation) trong đồ thị phát xạ trường xa của cấu trúc hình tròn là thấp nhất. Kết hợp với các kết quả khác (xem bảng 1), ta rút ra kết luận cấu trúc lưỡng cực nano anten hình tròn cho hiệu suất hấp thụ ánh sáng tốt nhất so với cấu trúc lưỡng cực nano anten hình chữ nhật và cấu trúc lưỡng cực nano anten hình vuông. Bảng 1: So sánh các thông số đầu ra của các cấu trúc lưỡng cực nano anten. Cấu trúc Tần số cộng hưởng Fpeak (THz) Điện trường tăng cường Epeak (V/m) Hệ số phản xạ (%) Đồ thị phát xạ Hình chữ nhật 374,9 110,3 0,188 Tốt hơn Hình vuông 372,8 92,2 0,283 Tốt Hình tròn 374,3 125,0 0,056 Tốt nhất 5. Kết luận Trong bài báo này, chúng tôi khảo sát ba cấu trúc lưỡng cực nano anten hình chữ nhật, hình vuông, và hình tròn, và đánh giá tính chất của chúng qua tính giam hãm điện trường, hệ số phản xạ, phân bố trường gần, và phát xạ trường xa. Quá trình tối ưu hóa cho thấy khoảng cách giữa hai đơn cực điện, hay gọi là diện tích vùng kích thích, ảnh hưởng nhiều đến tính giam hãm điện trường tăng cường của nano anten, trong khi chiều dài lưỡng cực quyết định tần số cộng hưởng của nano anten. Bên cạnh đó, lớp bán dẫn kết hợp với mặt phẳng phản xạ đã hoạt động như một hốc cộng hưởng Fabry-Perot và theo đó, bề dày của lớp vật liệu này phải được chọn một cách thích hợp thỏa điều kiện cộng hưởng. Đánh giá tổng quát, cấu trúc nano anten hình tròn nổi trội về tất cả các tính chất so với hai cấu trúc còn lại. Cụ thể, cấu trúc nano anten hình tròn cho điện trường giam hãm tăng cường tại vùng kích thích cao nhất, cho hệ số phản xạ thấp nhất, và đồng thời cũng cho đồ thị phát xạ trường xa tốt nhất. Nghiên cứu này cung cấp cho các nhà nghiên cứu lý thuyết cũng như thực nghiệm các thông tin hữu ích về quá trình chọn và tối ưu hóa các lưỡng cực nano anten một cách hợp lý, từ đó áp dụng vào 67 những ứng dụng cụ thể, ví dụ như kết hợp một mảng nano anten hình tròn chấm lượng tử với anten quang dẫn nhằm tăng hiệu suất phát sóng THz. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Ngô Bá Thưởng (2007), “Chế tạo và nghiên cứu tính chất của hạt vàng có kích thước nano”, Khóa luận tốt nghiệp cử nhân Trường ĐHKH Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội. 2. Hoàng Thị Hiến (2012), “Mô hình hóa hiện tượng SPR của các hạt nano kim loại,” Luận văn Thạc sỹ Trường ĐHKH Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội. 3. Trần Thu Hà (2011), “Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt của các hạt nano kim loại,” Luận văn Thạc sỹ Trường ĐHKH Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội. 4. Nguyễn Khắc Thuận (2011), “Nghiên cứu tính chất điện - từ của hạt và màng mỏng Au có kích thước nano” Luận văn Thạc sỹ Trường ĐHKH Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội. 5. L. Tang, S.E. Kocabas, S. Latif, A. K. Okyay, D.S. Ly-Gagnon, K. C. Saraswat and D. a B. Miller (2008), “Nanometre-scale germanium photodetector enhanced by a near-infrared dipole antenna”, Nature Photonics, vol. 2, pp. 226-229. 6. K. Okamoto, I. Niki, A. Shvartser, Y. Narukawa, T. Mukai, and A. Scherer (2004), “Surface-plasmon-enhanced light emitters based on InGaN quantum wells”, Nature Materials, vol. 3, pp. 601-605. 7. D. M. Koller, A. Hohenau, H. Ditlbacher, N. Galler, F. Reil, F. R. Aussenegg, A. Leitner, E. J. W. List, and J. R. Krenn (2008), “Organic plasmon-emitting diode”, Nature Photonics, vol. 2, pp. 684-687. 8. H. A. Atwater and A. Polman (2010), “Plasmonics for improved photovoltaic devices”, Nature Materials, vol. 9, pp. 205–213. 9. N. A. Hatab, C. H. Hsueh, A. L. Gaddis, S. T. Retterer, J.-H. Li, G. Eres, Z. Zhang, and B. Gu (2010), “Free-standing optical gold bowtie nano antenna with variable gap size for enhanced raman spectroscopy”, Nano Letters, vol. 10, pp. 4952-4955. 10. S. S. Acimoviü, M. P. Kreuzer, M. U. González, and R. Quidant (2009), “Plasmon near-field coupling in metal dimers as a step towards single-molecule sensing”, ACS Nano, vol. 3, no. 5, pp. 1231-1237. 11. S. Park, K. Jin, J. Ye, and K.H. Jeong (2011), “Nanoplasmonic photoconductive antenna for high power terahertz emission”, IEEE 16 th Int. Conference TRANSDUCERS, pp. 2498-2501. 12. S. G. Park, K. H. Jin, M. Yi, J. C. Ye, J. Ahn, and K. H. Jeong (2012), “Enhancement of terahertz pulse emission by optical nano antenna”, ACS Nano, vol.6, no.3, pp. 2026-2031. 13. S. G. Park, Y. Choi, Y. J. Oh, and K. H. Jeong (2012), “Terahertz photoconductive antenna with metal nanoislands”, Optics Express, vol.20, no.23, pp. 25530-25535. 14. T. J. Seok, A. Jamshidi, M. Kim, S. Dhuey, A. Lakhani, H. Choo, P. J. Schuck, S. Cabrini, A. M. Schwartzberg, J. Bokor, E. Yablonovitch, and M. C. Wu (2011), “Radiation Engineering of optical antennas for maximum field enhancement”, Nano Letters, vol. 11, pp. 2606 – 2610. 15. CST Microwave Studio, CST GmbH (2015) trên website: Ngày nhận bài: 10/8/2015 Biên tập xong: 15/10/2015 Duyệt đăng: 20/10/2015