Особенности обратного рассеяния света плазмонными дипольными наноантеннами, утопленными в металлическую подложку

Ссылка для цитирования:

Дышлюк А.В., Витрик О.Б., Иногамов Н.А. Особенности обратного рассеяния света плазмонными дипольными наноантеннами, утопленными в металлическую подложку // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 4. С. 7–17. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-04-07-17

Dyshlyuk A.V., Vitrik O.B., Inogamov N.A. Peculiarities of backscattering from plasmonic dipole nanoantennas embedded in a metallic substrate [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 4. P. 7–17. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-04-07-17

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Оптические свойства сферических дипольных наноантенн из благородных металлов, утопленных в металлическую подложку с полым зазором между наноантенной и материалом подложки. Цель работы. Исследование особенностей рассеяния света дипольной сферической наноантенной из плазмонного металла, внедрённой с полым зазором в металлическую подложку. Метод. Численное моделирование методом конечных разностей во временной области. Основные результаты. Исследованы спектры мощности и диаграммы направленности обратного рассеяния золотых сферических наноантенн, утопленных в золотую подложку с нанометровым зазором между наноантенной и подложкой, при различных значениях глубины погружения в подложку, радиуса, ширины зазора и показателя преломления окружающей среды. Продемонстрировано красное смещение дипольного плазмонного резонанса в спектре обратного рассеяния наноантенны более, чем на 400 нм, а также повышение угловой расходимости рассеянного света с 34° до 55° при погружении наноантенны в подложку на 90%. Показано, что рефрактометрическая чувствительность дипольного резонанса погруженной в подложку наноантенны более, чем в 5 раз превышает чувствительность аналогичной уединённой наноантенны в однородной среде. Практическая значимость. Полученные в работе результаты могут быть востребованы при создании плазмонных рефрактометрических сенсоров, а также при разработке иных функциональных элементов нанофотоники для концентрации, усиления и перераспределения электромагнитного поля.

Ключевые слова:

локализованный плазмонный резонанс, сферическая дипольная наноантенна, рассеяние света частицей на подложке, рефрактометрия

Благодарность:

работа выполнена в рамках госзадания ИАПУ ДВО РАН (FWFW-2026-0006), а также госзадания FFWR-2027-0004

Коды OCIS: 026.5740, 290.4020, 290.5850

Список источников:

1. Berestennikov A., Pushkarev A.P., Makarov S.V. Halide perovskite microplates coupled with optically resonant silicon nanoparticles // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2022. Т. 86. № Suppl 1. С. S20–S23. https://doi.org/10.3103/S1062873822700319
2. Melnik N.N., Sherstnev I.A., Tregulov V.V. Studying silver nanoparticles deposited on surfaces of porous silicon and a single crystal by chemical means // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2021. V. 85. № 9. P. 990–992. https://doi.org/10.3103/S1062873821090227
3. Zamkovets A.D., Aksiment’eva E.I., Ponyavina A.N. Spectral manifestation of surface plasmon resonance in polyparaphenylene–silver nanostructures // Journal of Optical Technology. 2011. V. 78(1). P. 84–87. https://doi.org/10.1364/JOT.78.000084
4. Xiaogang Wu, Zhiquan Li, Kai Tong, Xiaopeng Jia, Wenchao Li. Ethanol concentration sensor based on TiO2-ZnO composite film enhanced surface plasmon resonance with a molybdenum disulfide-graphene oxide hybrid nanosheet // Journal of Optical Technology. 2019. V. 86(4). P. 238–242. https://doi.org/10.1364/JOT.86.000238
5. Su X., Gao L., Zhou F. et al. A substrate-independent fabrication of hollow sphere arrays via template-assisted hydrothermal approach and their application in gas sensing // Sensors and Actuators B: Chemical. 2017. V. 251. P. 74–85. https://doi.org/10.1016/j.snb.2017.05.024
6. Wu J., Yang X., Fang J. Sensitive and reliable SERS substrates based on hierarchical nanoparticle arrays fabricated by confined spheroidization // Particle & Particle Systems Characterization. 2019. V. 36. № 8. P. 1900268. https://doi.org/10.1002/ppsc.201900268
7. Christie D., Lombardi J., Kretzschmar I. Two-dimensional array of silica particles as a SERS substrate // The Journal of Physical Chemistry C. 2014. V. 118. № 17. P. 9114–9118. https://doi.org/10.1021/jp412821w
8. Kukushkin V.I., Astrakhantseva A.S., Morozova E.N. Influence of the morphology of metal nanoparticles deposited on surfaces of silicon oxide on the optical properties of SERS substrates // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2021. V. 85. № 2. P. 133–140. https://doi.org/10.3103/S1062873821020155
9. Moreno F., Saiz J.M., González F. Light scattering by particles on substrates. Theory and experiments // Light scattering and nanoscale surface roughness. 2007. P. 305–340. https://doi.org/10.1007/978-0-387-35659-4_12
10. Sommerfeld A. Partial differential equations in physics. New York: Academic press, 1949. V. 1. 335 p.
11. Nahm K.B., Wolfe W.L. Light-scattering models for spheres on a conducting plane: comparison with experiment // Applied optics. 1987. V. 26. № 15. P. 2995–2999. https://doi.org/10.1364/AO.26.002995
12. Weber D.C., Hirleman E.D. Light scattering signatures of individual spheres on optically smooth conducting surfaces // Applied optics. 1988. V. 27. № 19. P. 4019–4026. https://doi.org/10.1364/AO.27.004019
13. Kim J.H., Ehrman S.H., Mulholland G.W. et al. Polarized light scattering by dielectric and metallic spheres on silicon wafers // Applied optics. 2002. V. 41. № 25. P. 5405–5412. https://doi.org/10.1364/AO.41.005405
14. Valle P.J., González F., Moreno F. Electromagnetic wave scattering from conducting cylindrical structures on flat substrates: study by means of the extinction theorem // Applied optics. 1994. V. 33. № 3. P. 512–523. https://doi.org/10.1364/AO.33.000512
15. Dyshlyuk A.V., Proskurin A.A., Bogdanov A.A. et al. Analytical calculations of scattering amplitude of surface plasmon polaritons excited by a spherical nanoantenna // Nanomaterials. 2021. V. 11. № 11. P. 2937. https://doi.org/10.3390/nano11112937
16. Петров Ю.В., Ромашевский С.А., Дышлюк А.В. и др. Аномальное пропускание света оптически толстыми пленками никеля, являющимися оптоакустическими трансдьюсерами // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2025. Т. 167. № 5. С. 645–671. https://doi.org/10.31857/S0044451025050049
Petrov Y.V., Romashevskiy S.A., Dyshlyuk A.V., Khokhlov V.A., Eganova E.M., Polyakov M.V., Evlashin S.A., Ashitkov S.I., Vitrik O.B., Inogamov N.A. Anomalous light transmission of optically thick nickel films acting as optoacoustic transducers [In Russian] // JETP. 2025. V. 167. № 5. P. 645–671.
17. Dyshlyuk A.V., Inogamov N.A., Vitrik O.B. Optical properties of the substrate-buried spherical dipole nanoantenna // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2024. V. 88. № Suppl 3. P. S450–S456. https://doi.org/10.1134/S1062873824710006
18. Дышлюк А.В. Локализованные плазмонные резонансы интегрированных в подложку дипольных сферических наноантенн из благородных металлов // Компьютерная оптика. 2026. Т. 60. № 2.
Dyshlyuk A.V. Localized plasmon resonances of spherical dipole nanoantennas of noble metals integrated into the substrate // Computer Optics. 2026. V. 60. № 2.
19. Johnson P.B., Christy R.W. Optical constants of the noble metals // Physical review B. 1972. V. 6. № 12. P. 4370. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.6.4370