RGŞNA dizilerinin spektral cevabının geometrik parametrelere bağımlılığı

Şekil 3.3(b)'den devre modelinin rüzgâr gülü şeklindeki açıklığın davranışını tahmin ettiğini görülmektedir. Burada, devre elemanlarının değerleri C1 = 0.04 fF, L1 = 0.19 pH ve R1 = 8 Ω kullanılmıştır. Modelin L1, C1 ve R1 değerlerini sırasıyla indüktör, kondansatör ve rezistans değerlerini elde etmek için derecelendirilmiştir. Tahmin edilen sonuçlar ve deneysel/nümerik sonuçlar arasındaki benzerlik, eş değer devre modelinin RGŞNA dizisinin rezonans frekansını tahmin etmekteki etkinliğini göstermektedir. Sunulan model RGŞNA dizisiyle sınırlı değildir ve indüktör, kondansatör ve rezistans değerlerini değiştirerek farklı yapıları analiz etmekte kullanılabilir [79].

3.2.3. RGŞNA dizilerinin spektral cevabının geometrik parametrelere bağımlılığı

Proje kapsamında tasarlanan RGŞNA dizilerinin spektral cevabını kontrol etmek için, RGŞNA dizilerinin spektral cevabının yükseklik (L), boşluk genişliği (g), periyot (P) ve altın tabakası kalınlığı (tAu) gibi geometrik parametrelere bağımlılığı nümerik olarak analiz edilmiştir. Yansıma spektrumu ve toplam elektrik alan yoğunluğu, |E|² = |Ex|² + |Ey|² +|Ez|², rezonans noktasında hava-metal ara yüzeyindeki (açıklığın üst yüzeyi) dağılımı FDTD metodu ile elde edilmiştir. Aşağıdaki bölümlerde, y kutuplu kaynak altında rüzgâr gülü şeklindeki nano-açıklığın yansıma spektrumunun ve rezonans noktasındaki toplam elektrik alan yoğunluğu |E|² dağılımlarının geometrik parametrelere bağlı olarak nasıl değiştiği üzerinde durulmuştur.

A. Yükseklik (L)

Şekil 3.4, sabit g = 125 nm, P = 1900 nm ve tAu = 70 nm değerleri için L (yükseklik) değişimi ile ilgili nümerik analiz sonuçlarını göstermektedir. Şekil 3.4(a)’da RGŞNA dizilerinin üç farklı yükseklik değeri için yansıma spektrumu verilmiştir. Açıklığın yüksekliği artarken, yapının rezonans frekansı oldukça azalmıştır. Şekil 3.4(b-d) sırasıyla L = 1100 nm, L = 1300 nm ve L = 1500 nm için rezonans noktalarında RGŞNA dizilerinin toplam elektrik alan yoğunluk dağılımını göstermektedir. Şekil. 3.4(b-d)’de RGŞNA dizilerinin toplam elektrik yoğunluğunun artan L değerleri ile azaldığı görülebilmektedir.

Şekil 3.4. Yükseklik (L) değişimi için RGŞNA dizisinin spektral cevabı ve elektrik alan yoğunluğu dağılımı (g = 125 nm, P = 1900 nm ve tAu = 70 nm) (a) Yansıma spektrumu.(b-d) Rezonans noktasındaki elektrik alan yoğunluk dağılımları (b) L = 1100 nm, (c) L = 1300 nm ve (d) L = 1500 nm.

19 B. Boşluk Genişliği (g)

Şekil 3.5’de sabit L = 1500 nm, P = 1900 nm ve tAu = 70 nm değerleri için boşluk genişliğinin (g) etkisi gösterilmiştir. Yansıma spektrumu g = 25 nm, g = 125 nm ve g = 225 nm için Şekil 3.5(a)’da verilmiştir. Yapının rezonans frekansı artan boşluk genişliği değerleriyle artmaktadır. Şekil 3.5(b-d) üç farklı g değeri için rezonans noktalarında RGŞNA dizilerinin toplam elektrik alan yoğunluğu dağılımını göstermektedir. Şekil 3.5’de görüldüğü gibi, toplam elektik alan yoğunluğu en küçük boşluk genişliği için en büyük değerindedir.

(g = 25 nm).

Şekil 3.5. Boşluk genişliği (g) değişimi için RGŞNA dizilerinin spektral cevabı ve elektrik alan yoğunluğu dağılımı (L = 1500 nm, P = 1900 nm ve tAu = 70 nm). (a) Yansıma spektrumu. (b-d) Rezonans noktasındaki elektrik alan yoğunluğu dağılımları (b) g = 25 nm, (c) g = 125 nm ve (d) g = 225 nm.

C. Periyot (P)

Yansıma spektrumunun ve toplam elektrik alan yoğunluğu dağılımının periyoda (P) göre bağımlılığı Şekil 3.6’da sabit L = 1500 nm, g = 125 nm ve tAu = 70 nm değerleri için gösterilmiştir. Yansıma spektrumu P = 1900 nm, P = 2000 nm ve P = 2100 nm değerleri için Şekil 3.6(a)’da verilmiştir; rezonans frekansı periyottaki (P) değişikliklerden etkilenmemektedir. Şekil 3.6(b-d) üç farklı periyot (P) değeri için rezonans noktalarında RGŞNA dizilerinin toplam elektrik alan yoğunluğu dağılımını göstermektedir. RGŞNA dizisinin toplam elektrik alan yoğunluğu açıklığın artan periyot değerleriyle artmaktadır.

Şekil 3.6. Periyot (P) değişimi için RGŞNA dizilerinin spektral cevabı ve elektrik alan yoğunluğu dağılımı (L = 1500 nm, g = 125 nm ve tAu = 70 nm). (a) Yansıma spektrumu. (b-d) Rezonans noktasındaki elektrik alan yoğunluğu dağılımları (b) P = 1900 nm, (c) P = 2000 nm ve (d) P = 2100 nm.

21 D. Altın Tabakası Kalınlığı (tAu)

Bu çalışmada, RGŞNA dizilerinin altın tabakası kalınlığının (tAu) spektruma etkisi de incelenmiştir. Şekil 3.7 sabit L = 1500 nm, g = 125 nm ve P = 1900 nm değerleri için rezonans noktalarındaki yansıma spektrumu ve toplam elektrik alan yoğunluğu dağılımını göstermektedir. Şekil 3.7(a) tAu = 50 nm, tAu = 70 nm ve tAu = 90 nm değerleri için RGŞNA dizilerinin yansıma spektrumunu göstermektedir. Yapının rezonans frekansı artan altın tabakası kalınlığı ile hafifçe artmaktadır. Şekil 3.7(b-d) üç farklı altın tabakası kalınlığı (tAu) için rezonans noktalarında RGŞNA dizilerinin toplam elektrik alan yoğunluğu dağılımını göstermektedir. RGŞNA dizilerinin toplam elektrik alan yoğunluğu artan altın tabakası değerleriyle çok az azalır.

Şekil 3.7. Altın tabakası kalınlığı (tAu) değişimi için RGŞNA dizilerinin spektral cevabı ve elektrik alan yoğunluğu dağılımı (L = 1500 nm, g = 125 nm ve P = 1900 nm). (a) Yansıma spektrumu. (b-d) Rezonans noktasındaki elektrik alan yoğunluğu dağılımları (b) tAu = 50 nm, (c) tAu = 70 nm ve (d) tAu =90 nm.

İletilen ışığın yapının merkezindeki açıklıkların uçlarına yoğunlaştığı ve aydınlatma kaynağının polarizasyon yönüne paralel olduğu Şekil 3.7’den görülmektedir. RGŞNA dizilerinin optik karakteristikleri RGŞNA yapısının yükseklik ve boşluk genişliğine güçlü bir biçimde bağlıdır. RGŞNA dizisinde yapının rezonans frekansı periyottan ve altın tabakası kalınlığından etkilenmez. Sunulan açıklık dizilerinin rezonans frekansı, RGŞNA yapısının yükseklik ve boşluk genişliği ölçülerini değiştirerek kolaylıkla ayarlanabilir.

3.2.4. Elektrik alan yoğunluklarının karşılaştırılması

RGŞNA dizilerinin iletim performansını anlamak için, aynı boşluk boyutuna sahip (50 nm × 50 nm) RGŞNA dizilerinin nümerik analiz sonuçları X, Bowtie ve Haç şeklindeki açıklık dizilerinin sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. RGŞNA, X, Bowtie ve Haç şeklindeki açıklık dizilerinin yansıma spektrumu L = 1400 nm, g = 50 nm, P = 2100 nm ve tAu = 70 nm için Şekil 3.8(a)’da gösterilmiştir. Ayrıca fW, fX, fB ve fC sırasıyla açıklığın rezonans noktalarını göstermektedir. Şekil 3.8(b)’de RGŞNA dizileri için toplam elektrik alan yoğunluğu dağılımı, hava-metal ara yüzeyindeki (açıklığın üst yüzeyi) rezonans noktasında (fW) gösterilmiştir. X, Bowtie ve Haç şeklindeki nano-açıklık dizileri için rezonans noktalarındaki (fX), (fB) ve (fC) toplam elektrik alan yoğunluğu dağılımı, |E|², sırasıyla Şekil 3.8(c), 3.8(d) ve 3.8(e)’de verilmiştir. Bu sonuçlar tasarlanan RGŞNA dizisi için iletilen alanın ışık kaynağının alanından yaklaşık 75000 kere daha fazla olduğunu göstermektedir. Bu faktör X, Bowtie ve Haç şeklindeki nano açıklıklar için sırasıyla 49000, 24000 ve 9500’dür.

23

Şekil 3.8. (a) Açıklık dizilerinin yansıma spektrumu. fW, fX, fB ve fC sırasıyla aynı boşluk genişliğine sahip (50 nm × 50 nm) rüzgâr gülü, X, Bowtie ve Haç şeklindeki açıklıkların rezonans çukurlarıdır. (b-e) Rezonans noktalarındaki elektrik alan yoğunluğu dağılımı (b) Rüzgâr gülü şeklindeki nano-açıklık dizileri için, (c) X şeklindeki nano-açıklık dizileri için, (d) Bowtie şeklindeki nano-açıklık dizileri için, (e) Haç şeklindeki nano-açıklık dizileri için. (L = 1400 nm, g = 50 nm, P = 2100 nm ve tAu = 70 nm).

Tablo 3.1’de RGŞNA dizilerinin nümerik analiz sonuçları X, Bowtie ve Haç şeklindeki açıklık dizilerinin sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Rezonans frekansları ve bu rezonans frekanslarında açıklık dizilerinin maksimum elektrik alan yoğunluğu değerleri Tablo 3.1’de listelenmiştir. (tAu = 70 nm). Tablo 3.1’den görüldüğü gibi, RGŞNA dizilerinin elektrik alan şiddeti X, Bowtie ve Haç şeklindeki açıklık nanoanten dizilerininkinden daha fazladır. Farklı geometrik parametreleri (L, g, P) ve aynı boşluk genişliğine sahip (g × g) RGŞNA dizileri için benzer karşılaştırma sonuçları elde edilmiştir, fakat tekrardan kaçınmak için burada

verilmemiştir. Bu bulgular, RGŞNA dizilerinin yakın alan çözünürlük kabiliyetlerinin daha önce tasarlanmış geometrilerle karşılaştırıldığında daha iyi olduğunu desteklemektedir.

Yüksek elektrik alan şiddetine sahip RGŞNA dizilerinin Raman, flüoresan ışığı, kızılötesi spektrometre ve biyo algılama uygulamalarında kullanılma potansiyeli yüksektir.

Tablo 3.1. Rüzgâr gülü, X, Bowtie ve Haç şeklindeki açıklık nanoanten dizileri için rezonans frekansı ve maksimum elektrik alan yoğunluğu değerleri