Dispersion engineering of surface plasmon polaritons
Yüzey plazmon polaritonlarının dispersiyon mühendisliği
- Tez No: 648603
- Danışmanlar: PROF. DR. MUHAMMET İRŞADİ AKSUN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 166
Özet
Yüzey plazmon polaritonları (SPP'ler) ve özellikleri, onlarca yıldır bilimsel literatürde incelenmiş ve belgelenmiştir. SPP modlarını harekete geçirebilen ve kullanabilen deneysel konfigürasyonlar geliştirilmiştir. Yerel elektrik alanın şiddetlenmesi, elektromanyetik enerjinin lokalize olması, gelen ışığın yüksek verimle emilimi gibi SPP'lerle ilgili karakteristik özellikler, birçok yeni uygulamanın temelini oluşturmuştur. SPP'lerin kullanılması sayesinde spektroskopik yöntemler, sensörler, güneş pilleri, nanoparçacık bazlı tedaviler gibi birçok alanda önemli gelişmeler sağlanmıştır. Fakat plazmonik alanındaki bu hızlı ve önemli gelişmeler, yüzey plazmonlarının teorik temellerinde birtakım konuların eksik kalmasına sebep olmuştur. Bu tezin amacı, eksik kalan bu konuları ortaya çıkarmak, ayrıntılı olarak incelemek, literatürdeki bir takım güncel tartışmaları sonuçlandırmak ve SPP modlarının kapsamlı olarak anlaşılmasını sağlayarak plazmonik sistemlerin iyileştirilmesi için yeni alanlar açılabileceğini göstermektir. Bu tezde, katmanlı ortamdaki SPP modları, modların fiziksel olup olmadığına dair herhangi bir varsayım olmaksızın, plazmonik yapının elektromanyetik tepkisinin tüm yönleri dikkate alınarak analiz edilmiştir. Görünüşte fiziksel olmayan ve bu sebeple diğer bilimsel çalışmalarda göz ardı edilen modlar da dahil olmak üzere, plazmonik yapının tepkisini tanımlayan tüm minimum ve maksimumların, SPP özelliklerinin ve gerçekçi deneysel senaryolardaki ölçümlerin açıklamasında rol oynadığı gösterilmiştir. Bu, plazmonik yapıların elektromanyetik tepkisinin hesaplanmasında ortaya çıkan Riemann yüzeylerinin ayrıntılı incelenmesi ve farklı Riemann yüzeylerinin üzerindeki modlar arasında bağlantılar kurulmasıyla sağlanmıştır. SPP modlarının bu kapsamlı analizine dayanarak, metal film kalınlığı ve dielektrik sabiti gibi parametreler için optimal değerler, çeşitli deneysel amaçlara yönelik olarak tartışılmıştır. Yüzey plazmon dispersiyon ilişkisi de analiz edilmiş ve literatürdeki genel kabulün aksine yüzey plazmon dispersiyon ilişkisinin çok daha zengin bir SPP mod içeriğine sahip olduğu gösterilmiştir. Bu tezde, kabul görmüş fiziksel çıkarımların öne sürdüğü koşullardan bağımsız, yalnızca problemin sınır koşullarının dayattığı matematiksel kısıtlamaları referans alan bir yaklaşım benimsenmiştir. Bu yaklaşım, SPP dispersiyon ilişkisinin sadece bir eğri değil, bir yüzey olarak üçüncü boyuta genişletilmesini mümkün kılarak, eşzamanlı karmaşık frekans ve karmaşık dalga vektörüne sahip SPP modlarının varlığını ispatlamaktadır. Dispersiyon yüzeyindeki SPP modları ile zamansal ve uzamsal sınır koşulları arasındaki bağlantı da kurulmuştur. Bu sonuçlar, plazmonik alanındaki iki popüler örneğe uygulanmıştır: Biri metal-dielektrik-metal plazmonik dalga kılavuzu, diğeri kırınım sınırının ötesinde çözünürlük sağlayan plazmonik süper lens. Bu örneklerle, görüntü çözünürlüğü, mod yayılma uzunluğu ve elektromanyetik alan lokalizasyonu gibi özelliklerin, geleneksel yaklaşımlarla karşılaştırıldığında, dispersiyon yüzeyi kullanılarak önemli ölçüde geliştirilebileceği gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
Surface plasmon polaritons (SPPs) and their features have been scrutinized and documented in the scientific literature for decades. Experimental configurations that can excite and exploit SPP modes have been developed. The characteristic phenomena related to SPPs such as local field enhancement, electromagnetic energy confinement, increased absorption of incident light have formed the basis of many novel applications. Significant improvements in spectroscopic methods, sensors, solar cells, nanoparticle-based targeted disease solutions have been enabled by the use of SPPs. However, this fast pace of advancement in the field seems to have left behind several important pieces missing in its theoretical foundations. The purpose of this thesis is to uncover these pieces, investigate them in detail, resolve some of the current discussions in the literature, and finally show how a thorough understanding of SPP modes opens up new venues for improvement in essentially any plasmonic system. In this thesis, the SPP modes in layered media are analyzed by taking into account all facets of the electromagnetic response of the plasmonic structure, without any prior assumptions about whether the modes are physical/proper or unphysical/improper. It is shown that all extrema defining the response of the structure, including the ones that are seemingly unphysical and usually dismissed as such in other studies, are responsible for the SPP phenomena and experimental measurements in realistic scenarios. This is achieved by a detailed investigation of the Riemann sheets that show up in the evaluation of the electromagnetic response of plasmonic structures, and by establishing connections between the modes on different Riemann sheets. Based on this exhaustive analysis of SPP modes, optimal values for parameters such as the metal film thickness and the dielectric constant are discussed for various experimental purposes. Surface plasmon dispersion relation is also analyzed and shown to support a much richer domain of SPP modes than what is commonly assumed in the literature. In this thesis, we refrain from prematurely applying any conditions that originate from pre-existing physical intuitions and only rely on the mathematical restrictions that are imposed by the boundary conditions of the problem. This enables the expansion of the dispersion relation to the third dimension as a surface rather than just a curve, resulting in SPP modes with simultaneous complex frequencies and complex wave vectors. The connection between the SPP modes on this dispersion surface and the temporal and spatial boundary conditions is also established. These results are applied to two popular examples in plasmonics: A metal-dielectric-metal plasmonic waveguide and the super lens which provides resolution beyond the diffraction limit. In each case, it is shown that the features such as image resolution, mode propagation length and field confinement can be dramatically improved using the dispersion surface compared to conventional approaches.
Benzer Tezler
- Plazmonik ve opto-akışkan platformların teorik, hesaplamalı ve deneysel yöntemlerle incelenmesi
Theoretical, computational and experimental studies on plasmonic and optofluidic platforms
YAĞIZ MOROVA
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SELÇUK AKTÜRK
- Modelling and characterization of the spoof surface plasmon polariton waveguides and reconfigurable components for terahertz integrated systems
Terahertz entegre sistemler için yapay yüzey plazmon polariton dalga kılavuzları ve ayarlanabilir bileşenlerin modellenmesi ve karakterizasyonu
MUHAMMED ABDULLAH UNUTMAZ
Doktora
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAnkara Yıldırım Beyazıt ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DOÇ. MEHMET ÜNLÜ
- Light matter interaction in plexcitonic crystals and moiré cavities
Pleksitonik kristaller ve moiré kovuklarında ışık madde etkileşimi
ERTUĞRUL KARADEMİR
Doktora
İngilizce
2015
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ATİLLA AYDINLI
- Fabrication, characterization and simulation of plasmonic cavities
Plazmonik kovukların üretimi, karakterizasyonu ve benzetimi
MUSTAFA KARABIYIK
Yüksek Lisans
İngilizce
2010
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ATİLLA AYDINLI
- Design, fabrication and characterization of surface plasmon resonance based MEMS displacement sensors
Yüzey plazmon rezonansına dayalı MEMS yerdeğiştirme algılayıcılarının tasarım, üretim ve karakterizasyonu
HASAN GÜNER
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SALİM ÇIRACI
YRD. DOÇ. DR. AYKUTLU DANA