Ronde nanodeeltjes verbeteren de kwaliteitsfactoren van resonanties van oppervlakte-rooster

Plasmonische oppervlakroosterresonanties (SLR’s) ondersteund door metalen nanodeeltjes-arrays hebben veel voordelen, zoals sterke veldverbeteringen die zich over grote volumes uitstrekken, evenals lange levensduur, smalle lijnbreedtes, hoekafhankelijke dispersie en een breed scala aan golflengteafstembaarheid.

Om de prestaties van op SLR gebaseerde nanofotonische apparaten zoals nanolasers, niet-lineaire optische apparaten en optische sensoren te verbeteren, is veel moeite gedaan om de kwaliteitsfactoren van SLR’s te verbeteren.

Een onderzoeksgroep onder leiding van Dr. Li Guangyuan van de Shenzhen Institutes of Advanced Technology (SIAT) van de Chinese Academie van Wetenschappen heeft ontdekt dat nanohemisfeer-arrays de kwaliteitsfactoren van SLR’s aanzienlijk kunnen verbeteren.

De studie van de groep, getiteld ‘Exceptionally narrow plasmonic surface lattice resonances in gold nanohemisphere array’, werd gepubliceerd in de Journal of Physics D: Applied Physics op 24 augustus.

In eerdere onderzoeken werden spiegelreflexcamera’s voornamelijk ondersteund door periodieke metalen nanostaafjes. Volgens een recent onderzoek zijn de kwaliteitsfactoren van dergelijke spiegelreflexcamera’s respectievelijk ~ 150 voor zichtbaar licht, ~ 300 voor telecomgolflengten en ~ 500 voor het regime van midinfrarood.

Hoewel de roostervorm van vitaal belang is voor kwaliteitsfactoren, leidden studies met verschillende geometrieën niet tot een verwachte opmerkelijke vernauwing van gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonanties (LSPR’s) die met deze deeltjes zijn geassocieerd.

In deze studie onderzochten de onderzoekers spiegelreflexcamera’s ondersteund door een 2-D periodieke nanohemisfeer-array ingebed in een symmetrische diëlektrische omgeving. Hun simulatieresultaten toonden aan dat spiegelreflexcamera’s buiten het vlak een ultrasmalle resonantielijnbreedte (~ 0,9 nm) kunnen hebben bij zichtbare golflengten rond 715 nm.

Dit resultaat kwam overeen met een uitzonderlijk hoge kwaliteitsfactor van 794, wat een orde van grootte groter was dan die van algemeen gebruikte nanostaafjes.

Bovendien liet het team ook zien hoe factoren van hoge kwaliteit kunnen worden bereikt op basis van ontstemming tussen de Rayleigh-anomalie en de LSPR van een geïsoleerd nanodeeltje.

“De energieflux plant zich voort langs het oppervlak en omzeilt het nanodeeltje, dat een stroom nabootst die een steen omzeilt,” zei Dr. Li Guangyuan. “We weten allemaal dat een ronde steen zwakkere verstoringen veroorzaakt. Dit inspireerde ons om nanostaafjes te vervangen door nanohemisferen.”

De onderzoekers gaan nu door met het fabriceren van 2-D nanohemisfeer-arraypatronen met gecontroleerde grootte en vorm van kenmerken, wat een uitdaging maar haalbaar is.

Ze geloven dat spiegelreflexcamera’s die worden ondersteund door een 2D nanohemisfeer-array, met veel hogere kwaliteitsfactoren dan nanostaafjes, aantrekkelijk zullen zijn in diverse toepassingen, waaronder nanolasers, niet-lineaire optica en ultragevoelige detectie.