Հայաստանի ատենախոսությունների բաց մատչելիության պահոց = Open Access Repository of the Armenian Electronic Theses and Dissertations (Armenian ETD-OA) = Репозиторий диссертаций Армении открытого доступа

Մակերևույթային պլազմոնների տեղայնացման առանձնահատկությունները անհամասեռ մետաղական կառուցվածքներում

Ներկարարյան, Սոնա Խաչատուրի (2017) Մակերևույթային պլազմոնների տեղայնացման առանձնահատկությունները անհամասեռ մետաղական կառուցվածքներում. PhD thesis, ԵՊՀ.

[img] PDF (Abstract)
Available under License Creative Commons Attribution Non-commercial.

Download (975Kb)
    [img] PDF (Thesis)
    Available under License Creative Commons Attribution Non-commercial.

    Download (3172Kb)

      Abstract

      Անցիալ դարի իննսունական թվականներին, երբ այլևս իրողություն էր դարձել էլեկտրոնային սարքերի նանոմետրական չափերում տեղայինացումը, արդիական դարձավ դրան տրամաբանորեն հաջորդող մյուս խնդիրը՝ նույն սահմաններում տեղայինացնել նաև լուսային ազդանշանը: Այս ճանապարհին հանդես եկող ամենասկզբունքային խոչնդոտը, ալիքային պրոցեսների կարևոր առանձնահատկություններից մեկը հանդիսացող դիֆրակցիոն սահմանն է, որն արգելում է ազատ լույսը տեղայինացնել իր ալիքի երկարությունից զգալիորեն ավելի փոքր սահմաններում: Շուտով այս ուղղությամբ զբաղվող հետազոտողներին պարզ դարձավ, որ խնդրի հաղթահարման առավել արդյունավետ ուղին մակերևութային պլազմոն պոլյարիտոնների (ՄՊՊ) արտասովոր հատկությունների օգտագործումն է: Ալիքների այս տեսակը ձևավորվում է մետաղում էլեկտրոնային գազի հավաքական տատանումների և էվանեսցենտային էլեկտրամագնիսական դաշտերի փոխհամաձայնեցված տարածման արդյունքում՝ համատեղելով ֆոտոնային և պլազմոնային հատկությունները: Հատկանշական է, որ այս ալիքները բնութագրող դիսպերսիոն առնչությունները, որոշակի իրավիճակներում, չեն արգելում զգալիորեն փոքրացնել ալիքի երկարությունը՝ դիֆրակցիոն սահմանը տեղափոխելով նանոմետրական տիրույթ: Այսպիսով նանոմետրական չափերում լույսի տեղայնացման հնարավորության բացահայտումը հետազոտությունների լայն ասպարեզ բացեց այնպիսի կարևոր ուղղություններում, ինչպիսիք են` ինֆորմացիայի արագագործ մշակման տարրային հենքի ստեղծումը, մակերևույթին ադսորբցված առանձին մոլեկուլների նույնականացումն ու տեղորոշումը, գերզգայուն քիմիական և կենսաբանական սենսորների ստեղծումը և այլն: Շրջադարձային էր, փորձարարական հետազոտությունների արդյունքում բացահայտված, անթափանց մետաղական էկրանի վրա բացված ալիքի երկարությունից փոքր չափեր ունեցող անցքերի կամ ճեղքերի միջով արտասովոր մեծ չափով լույսի անցման երևույթը: Առաջացած մեծ հետաքրքրությունը պայմանավորված էր նրանով, որ անցած հզորության արժեքը չէր համապատասխանում նախքինում կատարված տեսական կանխատեսումներին և էապես գերազանցում էր անմիջականորեն անցքին ընկած հզորությունը: Դրան հաջորդած տեխնոլոգիական առաջընթացը հնարավորություն տվեց ստեղծել ֆոտոդետեկտորներ սպեկտրի ինֆրակարմիր տիրույթում՝ ֆոտովոլտայիկ սարքեր և գազային սենսորներ: Պլազմոնային կառուցվածքների ամենահրապուրիչ առանձնահատկություններից մեկը լուսային էներգիան նանոմետրական սահմաններում տեղայինացնելու ընդունակությունն է: Պլազմոնային նանոֆոկուսացաման այս երևույթը սովորաբար իրականացվում են օգտագործելով կոնաձև մետաղական ուղղորդող նանոմետրական կառուցվածքներ, ինչպիսիք են կոնաձև մետաղական ձողը, սուր մետաղական սեպը, դիէլեկտրիկ տակդիրի վրա մետաղական թաղանթի կոնաձև գագաթը և երկու մետաղական միջավայրերը բաժանող սեպաձև նանոճեղքը: Մետաղ-դիէլեկտրիկ բաժանման սահմանին ձևավորվող ՄՊՊ-ները, իրենց արտասովոր հատկությունների շնորհիվ, կարող են այլընտրանքային ուղի հանդիսանալ երկրային պայմաններում սև խոռոչի մոդելավորման համար: Հաճախ, մետաղական մակերևույթների մեջ սահմանափակված ՄՊՊ-ի տարածումը նկարագրվում է արդյունարար բեկման ցուցիչով: Վերջինիս մեծությունը էապես կախված է ինչպես մետաղական պատերի դիէլեկտրիկ թափանցելիությունից, այնպես էլ նրանց միջև ընկած հեռավորությունից: Մասնավորապես, պատերի միջև հեռավորության փոքրացմանը զուգընթաց, աճում է արդյունարար բեկման ցուցիչը: Այս հանգամանքը լավ նախադրյալներ է ստեղծում պլազմոնային սև խոռոչի իրականացման համար, քանի որ արդի տեխնոլոգիաները հնարավորություն են տալիս նանոմետրական ճշտությամբ կառուցել մետաղ-դիէլեկտրիկ-մետաղ փոփոխվող միջուկի հաստությամբ համակարգեր: Սպոնտան ճառագայթման ղեկավարվող փոփոխության իրականացումը քվանտային էլեկտրոնիկայի հիմնական խնդիրներից է: Քվանտային դիպոլային ճառագայթիչների (ՔԴՃ), ինչպիսիք են մոլեկուլները կամ կիսահաղորդչային քվանտային կետերը և մետաղական նանոմասնիկների (ՄՆՄ) միջև կապը օպտիկական տիրույթում թույլ է տալիս կառավարել էլեկտրամագնիսական էներգիայի հոսքը և ընկած է արագ զարգացող քվանտային պլազմոնիկայի հիմքում: Նանոօպտիկայի բնագավառում վերջին հաջողությունները՝ մասնավորապես մետաղական նանոկառուցվածքի (հաճախ անվանում են նանոանտենաներ) և մեկ մոլեկուլի փոխազդեցությանը վերաբերող փորձերը, խթան են հանդիսանում այս ուղղության զարգացման համար: ՔԴՃ-ՄՆՄ փոխազդեցությանը վերաբերվող ամենաքննարկվող երևույթը ֆլուրեսցենցիոն ճառագայթման փոփոխությունն է (ուժեղացում և մարում), որը որոշվում է ճառագայթային և ոչ ճառագայթային մարումների արագությունների հարաբերության փոփոխությամբ: Այս երևույթը արդյունավետ միջոց է մակերևույթին ադսորբցված մոլեկուլների և ատոմների նույնականացման և տեղորոշման համար: Ատենախոսության հիմնական նպատակը նանոմետրական չափերով օպտիկական օպտոէլեկտրոնային և սպեկտրասկոպիկ սարքերի տարրային հենքն ապահովող ֆիզիկական պրոցեսների հետազոտումն է, որոնք հանդես են գալիս մետաղական թաղանթում բացված խոռոչի մերձակայքում, մետաղ-դիէլեկտրիկ-մետաղ և քվանտային դիպոլային ճառագայթիչ/մետաղական նանոմասնիկ համակարգերում: Աշխատանքում առաջին անգամ բացահայտվել է մետաղական թաղանթում բացված խոռոչի մերձակայքում հանկելյան գլանային ֆունկցիաներով նկարագրվող դեպի խոռոչ զուգամիտող և տարամիտող ՄՊՊ-ների ձևավորումը և դրանց դերը խոռոչով լույսի արտասովոր անցման պրոցեսում: Ցույց է տրվել, որ հպվող մետաղական գնդերի մերձակաքում ՄՊՊ-ային ճառագայթը շարժվում է սպիրալաձև հետագծով՝ իրականացնելով անկում դեպի հպման կետը: Основной целью дисертации является исследование процессов, обеспечивающих элементную базу оптических, оптоэлектронных и спектраскопических приборов нанометрических размеров, которые проявляются в окрестности раскрытой в металлической пленке дырки, в системах металл-диэлектрик-металл и квантовый дипольный излучатель-металлическая наночастица. Впервые выявлен процесс формирования сходящихя и расходящихся поверхностных плазмон поляритонов (ППП) в окрестности раскрытой в металлической пленке дырки, опысываемых циллиндрическимы функциямы Ганкеля и определена их роль в процессе экстраординарного прохождения света через дырку. В дырке взаимодействующего с падающим светом в качестве дипольного излучателя формируются необычно высокие значения волновых полей. Явление может быть применен в системах формирующих направленный пучок света, в линейной и нелинейной усиленной, поверхностной спектраскопии, а также при создании сверхчуствительных химических и биологических сенсоров. Показано, что в окрестности соприкосающихся шаров ППП-ий луч двигается по спиральной траектории, осуществляя подение на точку косания. Здесь ход ППП аналогичен поведению светового луча в окрестности черной дыры и, следовательно, в земных условиях появляется возможность моделировать исключительно неземную ситуацию. Начиная с определенного значения прицельнего расстояния от точки косания металлических шаров, направленный к мишени луч ППП двигаясь по спиральной траектории полностью поглащается, совершая подение на центр. В присутствии острой металлической вершины, заметное возрастание мощности флуоресценции молекулы адсорбированной на плоской поверхности диэлектрика, позволяет определить положение молекулы и идиентифицировать ее. Явление также имеет важное значение в квантовых компютерах, в качестве истичника излучения изолированных фотонов. Теоретический анализ системы сильно свзанных с металлической наночастицей квантовых дипольных излучателей показывает, что частота Раби осциляций существенно зависит от размеров системы, радиуса наночастицы, и диэлектрической проницаемости окружающей среды. Процесс можно зарегистрировать с помощью флуоресцентной спектраскопии, определяя положения пиков излучения. Обусловленная наличием плазмонов сильная связь, является важным составляющим квантовых схем будущего и может сыграть важную роль на пути создания биологоческих сенсоров. The main purpose of the thesis is the investigation of the processes to provid the elemental base for optical, optoelectronic, and spectroscopic nanometer devices that appears in the vicinity of a hole in a metal film, in metal-insulator-metal and a quantum emitting dipole - metal nanoparticle systems. For the first time determined the process of formation of the outgoing and diverging surface plasmon polaritons (SPP) in the vicinity of the hole in the metal film, described by the cylindrical function of the Hankel and defined the role of SPP in the process of extraordinary light transmission through a hole. In the hhole interacting with the incident light as a dipole emitter unusually high intensity wave fields are formed. The phenomenon can be applied in systems forming a directional beam of light, in the linear and nonlinear amplified surface spectroscopy, and also in the creation of high-sensitive chemical and biological sensors. It is shown that in the boundary of contacting sphere the beam of SPP moves by a spiral trajectory, falling down at the contact point. Here, the movement of SPP is similar to the behavior of a light beam in the vicinity of a black hole and, consequently, there is a possibility to simulate an exclusively unearthly situation under terrestrial conditions. Starting from a certain value of the target distance from the point of touching of the metal spheres, the beam of the SPT, directed toward the target, moving completely along the spiral trajectory, is completely absorbed, falling down on the center. In the presence of an metalic tip, a valuable increasement of the fluorescence power from a molecule adsorbed on a planar surface of dielectric, makes it possible to determine the position of the molecule and identify it. The phenomenon is also important in quantum computers, as the source of radiation of isolated photons.

      Item Type: Thesis (PhD)
      Additional Information: Особенности локализации поверхностных плазмонов в неоднородных металлических структурах. The specification of surface plasmons localization in nonhomogeneous metallic structures.
      Uncontrolled Keywords: Неркарарян Сона Хачатуровна, Nerkararyan Sona
      Subjects: Physics
      Divisions: UNSPECIFIED
      Depositing User: NLA Circ. Dpt.
      Date Deposited: 28 Feb 2018 11:00
      Last Modified: 21 Jun 2018 14:13
      URI: http://etd.asj-oa.am/id/eprint/6799

      Actions (login required)

      View Item