Electromagnetic Field Enhancement of Nanostructured TiN Electrodes Probed with Surface-Enhanced Raman Spectroscopy

We present a facile approach for the determination of the electromagnetic field enhancement of nanostructured TiN electrodes. As model system, TiN with partially collapsed nanotube structure obtained from nitridation of TiO2 nanotube arrays was used. Using surface-enhanced Raman scattering (SERS) spectroscopy, the electromagnetic field enhancement factors (EFs) of the substrate across the optical region were determined. The non-surface binding SERS reporter group azidobenzene was chosen, for which contributions from the chemical enhancement effect can be minimized. Derived EFs correlated with the electronic absorption profile and reached 3.9 at 786 nm excitation. Near-field enhancement and far-field absorption simulated with rigorous coupled wave analysis showed good agreement with the experimental observations. The major optical activity of TiN was concluded to originate from collective localized plasmonic modes at ca. 700 nm arising from the specific nanostructure.

Effects of Measurement Configurations on the Sensitivity of Morpho Butterfly Scales Based Chemical Biosensor

The Morpho butterfly wing with tree-shaped alternating multilayer is an effective chemical biosensor to distinguish between ambient medium, and its detection sensitivity is inextricably linked to the measurement configuration including incident angle, azimuthal angle, and so on. In order to reveal the effects and the selection of measurement configuration. In this work, the model of the Morpho butterfly wing is built using the rigorous coupled-wave analysis method by considering its profile is a rectangular-groove grating. On basis of the above model, the reflectivity of different diffraction orders at a different incident angle and azimuthal angle is calculated, and the influence of incident angle and azimuthal angle on performance of Morpho butterfly scales-based biosensor is analyzed. The optimal incident angle at each azimuthal angle is given according to the proposed choice rule, then the azimuthal angle and the corresponding incident angle can be selected further.

Gold Coated VO2 Nanogratings Based Plasmonic Switches

This paper presents 2 dimensional (2D) and 1 dimensional (1D) gold (Au) coated VO2 (Vanadium Dioxide) nanogratings based tunable plasmonic switch. VO2 is a phase changing material and hence exhibits phase transition from semiconductor to metallic phase approximately at 67 ºC or 340 K (critical temperature) which can be achieved by exposure to IR radiation, application of voltage, heating, etc. and there is a huge contrast between optical properties of its metallic and insulating phases and hence that can be utilized to implement VO2 based optical switches. These VO2 based gratings couple the incident optical radiation to plasmonic waveguide modes which in turn leads to high electromagnetic field enhancement in the gaps between the nanogratings. The proposed Au coated VO2 nanogratings can be fabricated by using current state of art fabrication techniques and provides switchability of the order of femtoseconds. Hence the optical switching explained in our paper can be used fast switching applications. For an optimum switch our aim is to maximize its differential reflectance spectra between the 2 states of VO2, i.e., metallic and semiconductor phases. Rigorous Coupled Wave Analysis (RCWA) reveals that wavelengths for maximum differential reflectance can be optimized over a large spectral regime by varying various parameters of nanogratings for example groove height (h), width (w), gap (g) between the gratings, and thickness (t) of Au coating over VO2 by simulation using RCWA for maximum differential reflectance between VO2 metal and semiconductor phase, i.e., the switching wavelengths can be tuned by varying grating parameters and thus we can have optimum optical switch.

Features of the Resonance in a Rectangular Dielectric Surace-Relief Gratings Illuminated with a Limited Cross Section Gaussian Beam

In this work the features of the resonance in a rectangular dielectric surface-relief gratings, illuminated with a limited cross-section Gaussian beam, have been studied. The rigorous coupled wave method and beam decomposition into the plane waves by the Fourier transform have been used. It is shown that there is a resonant wavelength for each thickness of the dielectric grating. The value of resonant wavelength depends on the beam angle of incidence on the gratings. Moreover, the two types of resonances can occur in the grating at certain grating parameters. The power reflection coefficient is practically equal to unity for the first type of resonance and is much smaller than unity, for the second one. The obtained results extend the knowledge regarding the nature of the waveguide resonance in the dielectric grating, considering the limited cross section beam, and they can increase its use in many applications.

Stack-based grating for wideband polarization splitter in terahertz

A novel wideband terahertz polarization beam splitter with special diffraction orders working at terahertz band is described in this paper. The polarizer can achieve high diffraction efficiency and uniformity in the 2.50 - 2.56 THz band. Based on rigorous coupled-wave analysis (RCWA) and simulated annealing algorithm, we proposed an efficient algorithm to optimize the polarizer. After calculations, 98.45% single-port high-efficiency reflection for transverse electric (TE) polarization and 42.33%/42.57% highly uniform dual-port beam splitting for transverse magnetic (TM) polarization were finally obtained. In addition, through RCWA and simplified modal method, the electromagnetic field distributions of TE and TM polarizations are shown visually and described quantitatively. Moreover, the results displayed in Sec. 3 prove that the grating possesses the characteristics of relatively large bandwidth and insensitivity to the incident angle. Therefore, the novel scheme in this paper has great reference value for the research of terahertz modulation devices and the integration of terahertz communication systems.

Optical Model and Optimization for Coherent-Incoherent Hybrid Organic Solar Cells with Nanostructures

Embedding nanostructures in organic solar cells (OSCs) is a well-known method to improve the absorption efficiency of the device by introducing the plasma resonance and scattering effects without increasing the active layer thickness. The introduction of nanostructures imposes greater demands on the optical analysis method for OSCs. In this paper, the generalized rigorous coupled-wave analysis (GRCWA) is presented to analyze and optimize the performance of coherent-incoherent hybrid organic solar cells (OSCs) with nanostructures. Considering the multiple reflections of light scattered within the glass substrate by the device, the correction vector g is derived, then the modified expressions for the field and absorption distribution in OSCs are provided. The proposed method is validated by comparing the simulated results of various structures with results obtained by the generalized transfer matrix method (GTMM) and the “equispaced thickness method” (ETM). The results demonstrate that the proposed method can reduce the number of simulations by at least half compared to the ETM while maintaining accuracy. With the proposed method, we discussed the device performance depending on the geometrical parameters of nanostructures, and the optimization and analysis are accomplished for single and tandem OSCs. After optimization based on the proposed method, the performance of OSCs are significantly improved, which further demonstrates the practicality of the method.

Self-Referenced Refractive Index Biosensing with Graphene Fano Resonance Modes

A hybrid structure composed of periodic monolayer graphene nanoribbons and a dielectric multilayer structure was designed to generate a Fano resonance (FR). The strong interaction between the surface plasmon resonance of graphene and the dielectric waveguide mode results in the FR. The finite element method is utilized to investigate the behaviors of the FR, and it matches well with the theoretical calculations using rigorous coupled wave theory. The results demonstrate that the profile of the FR can be passively tuned by the period of the graphene nanoribbons and actively tuned by the Fermi level of the graphene. The decoupled nature of the FR gives it potential applications as a self-calibrated refractive index biosensor, and the sensitivity can reach as high as 4.615 μm/RIU. Thus, this work provides a new idea for an excellent self-referencing refractive index biosensor.

Υπολογιστική μελέτη μεταλλικών και ημιαγώγιμων νανοσωματιδίων

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή εστιάζει στη μελέτη νανοσυστημάτων, κυρίως με υπολογιστικές μεθόδους. Ουσιαστικά αποτελείται από τρία κύρια μέρη. Το πρώτο αποτελείται από την εισαγωγή και από τη θεωρία που χρησιμοποιείται. Το δεύτερο μέρος, αναφέρεται στη μελέτη μεταλλικών νανοσωματιδίων, όπου εδώ περιγράφονται τέσσερις επιμέρους μελέτες. Το τρίτο μέρος, αναφέρεται σε ημιαγώγιμα νανοσωματίδια, όπου παρατίθενται δύο επιμέρους μελέτες. Με άλλα λόγια, στην παρούσα Διατριβή, μελετήθηκαν έξι διαφορετικά συστήματα. Όλες οι μελέτες, πραγματοποιήθηκαν με ήδη υπάρχουσες θεωρητικές και πειραματικές μεθόδους. Για το λόγο αυτό, στα πρώτα δύο κεφάλαια της Διατριβής, παρατίθενται μια σύντομη βιβλιογραφική ανασκόπηση όλων των μεθόδων και θεωριών που χρησιμοποιούνται, καθώς λόγω αυξημένου όγκου πληροφορίας, δε μπορεί να περιγράφει όλη η δυνατή θεωρία σε λίγες σελίδες. Φυσικά δίνονται όλες οι απαραίτητες βιβλιογραφικές αναφορές, ώστε ο αναγνώστης, αν επιθυμεί να εμβαθύνει, να έχει τη δυνατότητα να ανατρέξει στο αντίστοιχο κομμάτι της θεωρίας. Στο 3ο κεφάλαιο, παρατίθενται η πρώτη μελέτη μεταλλικών νανοσωματιδίων, που αναφέρεται σε νανοδίσκους και νανοδακτυλίους αργύρου (Ag nanodisks and nanorings). Το κεφάλαιο αυτό, αποτελεί το μοναδικό στη Διατριβή, όπου μπορεί να γίνει σύγκριση μεταξύ πειράματος και θεωρίας. Αυτό οφείλεται φυσικά στο μέγεθος των νανοσωματιδίων (η μικρότερη διάσταση κυμαίνεται από 5 έως 20 nm), αλλά και στο σχήμα τους. Ως εκ τούτου, μπορούν να κατασκευαστούν στο εργαστήριο με μια σχετική ευκολία, σε σύγκριση πάντα με τα νανοσωματίδια από τις υπόλοιπες μελέτες της Διατριβής, όπου στην πλειοψηφία είναι αρκετά μικρότερα σε μέγεθος, πολλά εκ των οποίων να κυμαίνονται κάτω του 1 nm. Έτσι λοιπόν μελετήθηκαν υπολογιστικά, νανοσωματίδια αργύρου με τη μέθοδο RCWA (Rigorous Coupled Wave Analysis) και παρασκευάστηκαν λεπτά υμένια με τη μέθοδο DC magnetron sputtering και χαρακτηρίζονται με τις μεθόδους AFM, SEM και UV-Vis.Στο 4ο κεφάλαιο, συνεχίζουμε με δομές επιμηκυμένων νανοσωματιδίων χαλκού, αργύρου και χρυσού (Elongated Cu, Ag and Au nanoparticles). Κατασκευάστηκαν τέσσερις διαφορετικές κατηγορίες δομών για κάθε υλικό, ξεκινώντας από την κρυσταλλική δομή και κόβοντάς την κατάλληλα ώστε να φτιάξουμε κάθε φορά την επιθυμητή δομή. Έπειτα, με τη μέθοδο DFT, έγιναν οι βελτιστοποιήσεις γεωμετρίας κάθε δομής και ελέγχθηκε η σταθερότητά τους μέσω των δονητικών φασμάτων. Υπολογίζονται οι ενέργειες δέσμευσης για κάθε δομή. Λόγω περιορισμένης υπολογιστικής ισχύος, υπολογίζονται δομές από 24 έως 80 άτομα. Στο σημείο αυτό, γίνονται οι ίδιοι υπολογισμοί και με την ημι-εμπειρική μέθοδο NRL-TB. Αφού επιβεβαιώνεται η καλή συμφωνία των αποτελεσμάτων, προχωράμε στον υπολογισμό αρκετά μεγαλύτερων δομών έως και 808 άτομα, κάτι που είναι σχεδόν αδύνατον με τη μέθοδο DFT. Στο 5ο κεφάλαιο, μελετώνται δομές νανοράβδων και νανοδίσκων βηρυλλίου, μαγνησίου και ασβεστίου (Be, Mg and Ca nanorods and nanodisks). Όπως και πριν, οι δομές κατασκευάστηκαν, κόβοντας κατάλληλα την κρυσταλλική δομή εξαγωνικού προφίλ. Έτσι, δημιουργούνται δομές από 24 έως 96 άτομα για κάθε ένα από τα τρία υλικά. Οι δομές βελτιστοποιούνται γεωμετρικά και ελέγχεται η σταθερότητά τους μέσω των δονητικών φασμάτων. Υπολογίζονται τα ενεργειακά χάσματα των ηλεκτρονίων και οι ενέργειες δέσμευσης. Επιπλέον, μελετώνται τα φάσματα απορρόφησης των δομών με τη μέθοδο RT-TDDFT. Εκτός από τη σύγκριση μεταξύ των φασμάτων, γίνεται επιπλέον σύγκριση με τα αντίστοιχα φάσματα σφαιρικών δομών. Αυτές οι δομές δεν είναι με σιγουριά οι βέλτιστες δυνατές, αλλά κατασκευάστηκαν ώστε να αποκτήσουμε μια συγκριτική εικόνα μεταξύ των φασμάτων απορρόφησης της κάθε κατηγορίας και πληροφορίες για τα ενεργειακά χάσματα των ηλεκτρονίων και τις ενέργειες δέσμευσης. Στο 6ο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η μελέτη νανοσωματιδίων βηρυλλίων και υδρογονωμένων βηρυλλίων (Ben and BenHm nanoparticles). Η παρούσα έρευνα πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια της συνεργασίας με το Γαλλικό Ινστιτούτο IRSN σχετικά με τον τομέα ασφάλειας του αντιδραστήρα ITER Κατασκευάζονται νανοσωματίδια βηρυλλίου με τη μέθοδο Wulff και μελετάμε τη συμπεριφορά καθώς προσθέτουμε άτομα υδρογόνων στη δομή. Μετά τη βελτιστοποίηση γεωμετρίας μέσω της μεθόδου DFT, υπολογίζονται ενέργειες δέσμευσης και εκρόφησης και γίνεται συγκριτική μελέτη των περιπτώσεων. Τέλος, με προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής, μελετάται η επίδραση της θερμοκρασίας στα υδρογονωμένα και μη νανοσωματίδια. Στα επόμενα δύο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι υπολογισμοί για τα ημιαγώγιμα νανοσωματίδια. Η σειρά των υπολογισμών για τα δύο κεφάλαια είναι ίδια, όμως τα αποτελέσματα είναι αρκετά διαφορετικά. Στον 7ο κεφάλαιο λοιπόν μελετώνται νανοσωματίδια μονοχαλκογονιδίων μαγνησίου (MgxYx nanoparticles, where Y = S, Se, Te). Μέσω PSO υπολογισμών επιβεβαιώνουμε πως οι βέλτιστες δομές Mg4Y4 είναι η κυβική δομή. Έπειτα προσθέτοντας ορισμένο αριθμό τέτοιων κύβων στο χώρο, δημιουργούνται εκ νέου ένας αριθμός δομών. Οι δομές στο σύνολό τους βελτιστοποιούνται γεωμετρικά και ελέγχονται για τη σταθερότητά τους. Ύστερα, υπολογίζονται τα ενεργειακά χάσματα των ηλεκτρονίων οι ενέργειες δέσμευσης. Αφού πρώτα έχουμε βρει το βέλτιστο συναρτησιακό, υπολογίζονται τα φάσματα απορρόφησης για τις μικρές δομές και τα οπτικά χάσματα για τις μεγαλύτερες δομές. Όπως θα δούμε, αυτές οι δομές απορροφούν στην UV περιοχή του φάσματος. Τέλος, στο 8ο κεφάλαιο, παρατίθενται η μελέτη για νανοσωματίδια μονοπνικτογενούς σκανδίου (ScxYx nanoparticles, where Y= N, P, As). Όπως προαναφέρθηκε, η σειρά των υπολογισμών είναι ίδια με το προηγούμενο κεφάλαιο, δηλαδή PSO υπολογισμοί για τις δομές Sc4Y4, σχεδιασμός νέων δομών από τις δομές Sc4Y4, βελτιστοποίηση γεωμετριών και έλεγχος για τη σταθερότητά τους. Αφού βρούμε το καταλληλότερο συναρτησιακό, προχωρούμε στον υπολογισμό των φασμάτων απορρόφησης των δομών και των οπτικών χασμάτων. Όπως θα δούμε, τα αποτελέσματα είναι αρκετά ενδιαφέροντα, αφού σε αντίθεση με τις δομές μαγνησίου, οι δομές σκανδίου απορροφούν σε όλο σχεδόν το ορατό φάσμα, ανάλογα με τη μορφολογία των δομών.