Блог

Oct 05, 2023

Мета градиентной диэлектрической проницаемости

Научные отчеты, том 6,

Научные отчеты, том 6, Номер статьи: 23460 (2016) Цитировать эту статью

Доступы 1896 г.

8 цитат

1 Альтметрика

Подробности о метриках

В этой работе была предложена и обсуждена модель метаструктуры градиентной диэлектрической проницаемости (GPMS) и ее применение для визуализации сверхвысокого разрешения. Предлагаемая GPMS состоит из чередующихся металлических и диэлектрических пленок с градиентной диэлектрической проницаемостью, которая может поддерживать интерференционные картины стоячих волн поверхностных плазмонов (СП) со сверхразрешением. Используя строгий метод численного моделирования FDTD, было тщательно смоделировано GPMS и обнаружено, что период интерференционной картины SP составляет всего 84 нм для падающего света с длиной волны 532 нм. Кроме того, также обсуждалось потенциальное применение GPMS для получения изображений со сверхвысоким разрешением в широком поле, и результаты моделирования показывают, что разрешение изображения менее 45 нм может быть достигнуто на основе микроскопического метода освещения плазмонной структуры, что означает 5,3-метрическое разрешение. было достигнуто кратное улучшение разрешения по сравнению с традиционной эпифлуоресцентной микроскопией. Более того, помимо применения изображений сверхвысокого разрешения, предлагаемая модель GPMS также может применяться для нанолитографии и других областей, где необходимы модели сверхвысокого разрешения.

Поверхностные плазмоны (ПП) — это поверхностные электромагнитные волны, захваченные на границе раздела металл-диэлектрик за счет коллективных колебаний свободных электронов металла1. Их интригующие свойства, такие как сильная локализация и большой импульс в плоскости, были использованы для применения в биосенсорах2,3, нелинейной оптике4 и визуализации со сверхвысоким разрешением5,6. Волновой вектор kspof SPs может быть выше волнового вектора возбужденного света в воздухе (k0) за счет тщательного подбора диэлектрической проницаемости диэлектрических и металлических материалов. Таким образом, SP являются идеальными кандидатами для улучшения разрешения. За последние десятилетия сверхразрешение СП широко изучалось и применялось в идеальных линзах7, серебряных суперлинзах8,9 и гиперлинзах10. Эти устройства обладают огромным потенциалом для ближнепольной микроскопии сверхвысокого разрешения. Кроме того, СП также можно использовать в режиме микроскопической визуализации в дальнем поле, например, флуоресцентная микроскопия поверхностного плазмонного резонанса со стоячей волной (SW-SPRF)11,12,13 и микроскопия структурированного освещения (SIM)14,15. В этих двух методах в качестве картин освещения используются структуры стоячих волн SP. Обычно может быть достигнуто повышение разрешения более чем в два раза по сравнению с традиционной эпифлуоресцентной микроскопией. Поскольку улучшение разрешения этих микроскопов зависит от пространственной частоты картины освещения, поэтому увеличение ksp имеет решающее значение. Предыдущие исследования показали, что ПП с высокой частотой могут возбуждаться на поверхности одного слоя металла14,16. В последние годы также предпринимаются большие усилия по дальнейшему совершенствованию KSP путем использования многослойности. Г. Бартал и др. построили 2D-платформу из нитрида серебра-кремния-воздуха для реализации фокального пятна 70 нм с короткой длиной волны17. Однако диэлектрический слой, используемый в этой конструкции, имеет довольно высокую диэлектрическую проницаемость, что может блокировать ближнепольное взаимодействие между биологическим образцом и металлической пленкой. Гиперболические метаматериалы, своего рода анизотропный материал с точки зрения диэлектрической проницаемости, который может поддерживать очень высокое значение ksp, в последнее время привлекают все больший интерес18,19,20,21,22,23. Хотя гиперболические материалы можно тщательно спроектировать для получения высоких волновых векторов СП, они требуют сложных и дорогостоящих процессов нанопроизводства, и ошибка каждой пары металл/диэлектрик может повлиять на точность результатов. Таким образом, для достижения коротких длин волн СП и одновременного облегчения процесса нанопроизводства предпочтительнее использовать меньшее количество пар или альтернативные формы гиперболических метаматериалов.

В этой статье представлена ​​довольно простая и элегантная модель, так называемая структура метаматериала с градиентной диэлектрической проницаемостью (GPMS), для реализации коротковолновых СП. Такая структура состоит из трех последовательных диэлектрических пленок с пониженной градиентной диэлектрической проницаемостью и тонкими пленками серебра между диэлектрическими пленками. Используя метод конечной разности во временной области (FDTD), предложенная GPMS тщательно моделируется и анализируется, чтобы обнаружить, что стоячая волна SP с периодом 84 нм в одном измерении может быть получена для падающей длины волны 532 нм. Кроме того, теоретически продемонстрирована возможность повышения разрешения изображений за счет использования GPMS в микроскопическом методе освещения плазмонных структур. Обнаружено, что разрешение 41 нм может быть достигнуто в одном измерении в GPMS. Наконец, также обсуждается физический механизм поддержки коротковолновых SP в GPMS.