Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПЕРИОДИЧЕСКИХ НАНОПЛАЗМОННЫХ СТРУКТУР Иванова Ирина Николаевна

Данная диссертационная работа должна поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Иванова Ирина Николаевна. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПЕРИОДИЧЕСКИХ НАНОПЛАЗМОННЫХ СТРУКТУР: автореферат дис. ... кандидата Физико-математических наук: 01.04.03 / Иванова Ирина Николаевна;[Место защиты: ФГАОУВО Южный федеральный университет], 2016

Введение к работе

Актуальность проблемы. Физические принципы формирования, передачи и преобразования электромагнитных волн связаны с возможностью создания устройств и конструкций с размерами, соизмеримыми и много меньше длины волны колебаний. В течение последних 15-20 лет в мире произошел всплеск интереса к нанотехнологиям, позволяющим создавать структуры c точностью до десятков нанометров. Это дало возможность создания структур с размерами, соизмеримыми с длиной волны ЭМ колебаний оптического и ИК диапазонов.

Традиционные технологии электроники все больше сталкиваются с ограничениями скоростей обработки и передачи информации, вызванных задержками распространения в линиях связи и полупроводниках интегральных схем. Для приближения к терагерцовым частотам скорости обработки нужны принципиально новые подходы. Одним из перспективных направлений исследования для обработки и передачи на высоких скоростях является фотоника. Развитие фотоники привело к революционному развитию информационных технологий, которые раньше были полностью электронными.

Несмотря на большой прогресс в области диэлектрических волноводов, фотоника обладает фундаментальным ограничением на размеры, которое диктуется дифракционным пределом. Создание новых фотонных устройств для управления светом в нанометровом масштабе основано на возможности концентрации электромагнитного поля в субволновых размерах. Такими свойствами обладают металлические и метало-диэлектрические структуры, в которых возникают связанные осцилляции электронов – так называемые плазмоны, а такие структуры называют плазмонными наноструктурами.

Прогресс в разработке следующего поколения нанофотонных схем определяется новыми технологиями создания наноматериалов и развитием математических методов, позволяющих лучше понять физику и научиться манипулировать коллективными явлениями, возникающими в результате взаимодействия отдельных фотонных, плазмонных, электронных и механических компонентов. Основными применениями данных технологий являются наноэлектроника, в частности, нанолазеры, нанотранзисторы, УФ фотоприемники, светоизлучающие диоды, преобразователи солнечной энергии, наносенсоры химических веществ, высокочувствительные датчики. Способность плазмонных волноводов и антенн проводить световые сигналы в объемах меньше дифракционного предела позволит значительно уменьшить размеры и увеличить эффективность интегральных схем, используемых в радиоэлектронике и открывает новые возможности для обработки сигналов. Новые фотонные

устройства для управления светом в субволновом масштабе позволяют проводить детектирование молекул, получать изображения биообъектов. Широчайшие возможности открываются в области оптических компонентов. Такие структуры могут обеспечить ранее недостижимые параметры для традиционных оптических элементов и обеспечить возможность создания принципиально новых устройств -широкополосных зеркал, высокодобротных резонаторов, плоских линз, компонент для формирования волнового фронта, оптических изоляторов и поляризаторов, электромеханических зеркал. Эти новые свойства открывают возможность для управления световым потоком и позволяют заменить разнообразные традиционные оптические элементы, а также многоэлементные оптические системы одной решеткой.

В последнее время происходит бурное развитие теоретических и экспериментальных исследований периодических метало-диэлектрических структур. Среди них особое значение уделяется разработке резонансных структур поглощающих, не отражающих и полностью пропускающих материалов. Достижения различных свойств производится за счет подбора размеров отдельных элементов и вида материалов, из которых выполнены многослойные структуры дифракционных решеток (ДР), за счет нанесения периодических неоднородностей различных форм на многослойную структуру, а также за счет современных технологий «доработки» этих неоднородностей.

Учитывая имеющуюся актуальность к исследованию таких структур, темой настоящей работы является электродинамический анализ периодических наноплазмонных структур.

Целью диссертационной работы является: теоретическое исследование дифракции электромагнитных волн на периодических наноплазмонных структурах. Это исследование основано на разработке и применении численно-аналитических методов решения краевых задач электродинамики.

Для достижения цели работы:

решена краевая задача дифракции электромагнитных волн на многослойных одно- и двумерных периодических метало-диэлектрических структурах с учетом свойств металлов в оптическом диапазоне;

разработаны компьютерные программы для расчета амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) различных ДР, содержащих несколько различных резонансных элементов в ячейке;

исследованы свойства АЧХ этих структур.

Научная новизна диссертационной работы определяется поставленными задачами, разработанными методами их решения, впервые полученными результатами и состоит в следующем:

  1. Разработаны оригинальные электродинамические модели дифракционных решеток, частотно селективных устройств, в том числе и на основе наноструктурированных металлических пленок. Эти модели построены на численно-аналитических методах решения трехмерных интегральных уравнений для диэлектрических тел. Учтена материальная дисперсия металлов, диэлектриков и полупроводников в оптическом диапазоне.

  2. Разработан метод решения краевых задач, основанный на применении приближенных граничных условий для экспресс-анализа наноструктур.

  3. Получены двухсторонние граничные условия для бесконечной по длине и ширине тонкой металлической пленки на основе приближенных решений уравнений Максвелла в интегральной форме. Определены эффективные размеры для пленок конечных размеров, учитывающие проникновения электромагнитного поля в металл. Точность и границы применимости этих методов обоснованы как строгими расчетами, так и экспериментами.

  4. Проведен комплекс исследований резонансных периодических плазмонных структур, в том числе резонансно-поглощающих оптических метало-диэлектрических дифракционных решеток, которые при резонансе поверхностной волны, распространяющейся на границе металл-диэлектрик, поглощают почти 100% падающей на нее энергии.

  5. Исследованы дифракция на двумерно-периодической решетке, образованной наностержнями из ZnO, свойства периодических структур ближнего ИК диапазона, содержащих новые плазмонные материалы – TiN, ZrN, ZnO, допированный Al и Ga, а также широкополосная дифракционная решетка для сверхмощных фемтосекундных лазеров.

Практическая значимость результатов, полученных в диссертации, определяется программами для ПЭВМ, разработанными при помощи численно-аналитических методов и алгоритмов электродинамического анализа дифракции электромагнитных волн на одно- и двумерно-периодических металлических нанорешетках. Эти программы составляют конкуренцию коммерческим программам, которые реализуют прямые численные методы, и таким же дорогим и продолжительным натурным экспериментам.

Полученные результаты и разработанные программы могут использоваться в НИИ, КБ и на предприятиях, связанных с разработкой компонент оптики, их производством, а так же в системах радиосвязи, радиолокации, радионавигации и

радиоуправлении. Предложенные резонансные структуры могут использоваться в фотонике и в плазмонике, в радиофизической электронике.

Проведенные исследования и полученные в ходе работы результаты были использованы в НИР, выполняемой в Южном федеральном университете «Экспериментально-теоретическое исследование наноплазмонных оптических антенн, волноведущих и фокусирующих структур оптического и ультрадлинноволнового рентгеновского диапазона» (проект 213.01.-07.2014/08ПЧВГ).

Некоторые из результатов, полученных в ходе работы, представляющие научную и практическую значимость, включены в материалы лекционных курсов по специальности радиофизика в Южном федеральном университете на физическом факультете.

Обоснованность и достоверность результатов, полученных в диссертации, определяются строгой постановкой задачи и строгих методов решений. Результаты работы подтверждены исследованием внутренней сходимости электродинамических методов решения, сравнением с результатами, полученными в работе разными методами и с некоторыми результатами, приведенными в научной литературе, соответствием результатов расчетов эксперименту.

Основные положения, выносимые на защиту:

Разработаны электродинамические модели периодических структур,
учитывающие материальную дисперсию металлов и диэлектриков в оптическом
диапазоне, основанные на модификации и усовершенствовании численно-
аналитических методов решения:

объемного интегро-дифференциального уравнения (ОИДУ) для диэлектрических структур;

парных сумматорных уравнений (СУ) для планарных структур.

Обосновано применение метода ПГУ для исследования дифракции электромагнитных волн оптического диапазона на двумерной решетке из металлических полосок, введение более точных ПГУ и эффективных размеров полосок.

Приведены результаты исследования в оптическом диапазоне радиофизических свойств периодических структур, образованных плазмонными материалами - резонансы отражения, прохождения и полного поглощения, смещение резонансных характеристик при изменении параметров структур, обоснование возможности использования предложенных резонансных структур в фотонике и плазмонике.

Личный вклад автора. В ходе выполнения диссертационной работы автором лично сделано аналитическое представление разработанных теоретических и программных моделей. Автором проведены исследования и расчеты, созданы компьютерные программы на основе численно-аналитических методов и алгоритмов электродинамического анализа дифракции электромагнитных волн на одно- и двумерно-периодических металлических нанорешетках.

Апробация работы. Результаты работы были обсуждены и докладывались на:

Международных научных конференциях «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» (ИРЭМВ-2013), Дивноморское, 2013 г.; (ИРЭМВ-2015), Дивноморское, 2015 г.;

Международной конференции «International Conference on Antenna Theory and Techniques», ICATT (г. Одесса, 2013 г.);

Международной конференции «International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory» ( г. Харьков, 2014 г.);

24-й международной научной конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», CrimiCo (г. Севастополь, 2014 г.);

Симпозиуме «Лазеры на парах металлов» (ЛПМ-2014), Лоо, 2014 г.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 26 печатных работах, в том числе в журналах из перечня ВАК - 4 статьи, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, 21 тезис докладов на всероссийских и международных конференциях.

Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 150 страниц, 94 рисунка, 10 таблиц и список литературы из 128 наименований.