Luận án Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng Plasmonic dạng nêm

 để tích hợp được với các linh kiện điện tử, kênh dẫn sóng plasmonic yêu cầu về mặt vật liệu mà quy trình chế tạo của chúng tương thích với công nghệ bán dẫn ôxít kim loại (CMOS). Silíc là lựa chọn tốt nhất để thiết kế kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm do công nghệ chế tạo tương thích với CMOS. Hơn nữa, silíc có chiết suất cao cho phép mặt cắt ngang của kênh dẫn sóng được thu nhỏ hơn. Bởi vì, kênh dẫn sóng chiết suất càng cao thì kích thước mode truyền càng được thu nhỏ. Các kênh dẫn sóng plasmonic làm từ silíc có thể được chế tạo bằng phương pháp khắc khô hoặc khắc ướt. Gần đây một số báo cáo về các kênh dẫn sóng silíc dạng nêm dựa trên ăn mòn ướt dị hướng của silíc đơn tinh thể đã được báo cáo [131-133]. Tuy nhiên, việc nghiên cứu các kênh dẫn sóng plasmonic silíc dạng nêm dựa trên đặc tính ăn mòn ướt dị hướng vẫn chưa được báo cáo. Hơn nữa, một nghiên cứu phân tích tổng thể về kênh dẫn sóng plasmonic silíc dạng nêm là cần thiết để cung cấp các thông tin làm tham khảo cho việc thiết kế và chế tạo kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm cho hoạt động tối ưu.
Chương này sẽ đề xuất các kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm và khảo sát các đặc trưng lan truyền của chúng. Các kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm với bề mặt nhẵn ở mức nguyên tử có thể được chế tạo bằng cách nghiên cứu tính chất ăn mòn dị hướng ướt của silíc đơn tinh thể trong dung dịch kali hydroxit (KOH). Bề mặt nhẵn đóng một vai trò quan trọng trong kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm, bề mặt tổn hao thấp ở bước sóng truyền thông quang được nghiên cứu bằng mô phỏng số. Chương này cũng sẽ phân tích và so sánh các đặc trưng lan truyền của kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm, từ đó đề xuất kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm với hoạt động tối ưu.
KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG NÊM
Hình dạng của các kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm đề xuất được thể hiện trong Hình 3.1. Các kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm bao gồm một màng kim loại mỏng bằng bạc (Ag) được phủ trên bề mặt của kênh dẫn sóng silíc dạng nêm, được đặt trong không khí hoặc trong một môi trường khác. Hai mode phân cực plasmon WPP lan truyền trên hai cạnh của cấu trúc kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm. Góc nghiêng của kênh dẫn sóng silíc có thể là 35,26°, 45°, 54,74° hoặc 90°, được đề xuất trên cơ sở nghiên cứu tính chất ăn mòn dị hướng ướt của silíc đơn tinh thể trong dung dịch KOH [131, 132, 134]. Các thông số cấu trúc kênh dẫn sóng plasmonic được thể hiện trong Hình 3.2.
Hình 3.1: Mô hình kênh dẫn sóng plasmonic được đề xuất với các góc mặt bên α = 45o, 54,74o và 90o
Hình 3.2: Mặt cắt ngang của kênh dẫn sóng plasmonic hình thang 
Chúng tôi khảo sát các đặc trưng lan truyền của mode WPP trên giao diện Ag/không khí, tập trung vào hai đỉnh của kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm. Hai đỉnh của lớp kim loại được làm tròn góc với bán kính 10 nm để giữ cho độ dày của lớp kim loại Ag không đổi. Để nghiên cứu đặc trưng lan truyền của sóng plasmon bề mặt trên các kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm này, chúng tôi sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn được trình bày trong Chương 2. Bài toán phân tích điều kiện mode biên trong phần mềm COMSOL Multiphysics được sử dụng để tìm ra hằng số truyền của sóng điện từ. 
Các đặc trưng lan truyền của kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm được khảo sát ở bước sóng truyền thông quang là 1,55 μm. Ở bước sóng này, chiết suất phức của Ag là: 0,12549-11,567i. Các chiết suất của silíc và silíc dioxit lần lượt là 3,4757 và 1,4957. Các đặc trưng lan truyền của kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm không bị ảnh hưởng bởi vật liệu kênh dẫn sóng và lớp SiO2, điều này được giải thích bởi thực tế là sự lan truyền sóng SPP được xác định bởi sóng SPP lan truyền trên giao diện Ag/không khí. Tuy nhiên, độ dày của lớp kim loại phải được lựa chọn phù hợp để loại bỏ hiệu ứng kết cặp giữa các mode ở giao diện kim loại/điện môi và các mode WPP ở giao diện kim loại/không khí.
Đối với giao diện phẳng giữa kim loại và điện môi, độ xuyên sâu của sóng điện từ vào điện môi, tại đó điện trường giảm xuống 1/e, được xác định bởi δ = 1/ko(ε1'+ ε2)/ε22, với ko là số sóng trong chân không, ε1' là phần thực của hằng số điện môi phức của kim loại và ε2 là hằng số điện môi của môi trường điện môi. Đối với các cấu trúc kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm với giao diện kim loại/điện môi không phẳng, chúng tôi sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để nghiên cứu ảnh hưởng của độ dày lớp Ag lên đặc trưng lan truyền sóng plasmon. Kết quả khảo sát cho thấy khi độ dày màng Ag lớn hơn 200 nm, đặc trưng lan truyền gần như không thay đổi. Do đó, độ dày màng Ag được chọn là 200 nm trong các nghiên cứu.
Trên đỉnh góc của kênh kim loại, mode WPP là mode kết cặp được hình thành bởi hai sóng plasmonic truyền về phía đỉnh trên hai mặt đối diện của nêm kim loại [135]. Vận tốc nhóm có xu hướng bằng không, trong khi vectơ sóng có xu hướng tiến tới vô cùng ở đỉnh. Điều này dẫn đến kích thước mode vô hạn và sóng có thể được truyền trên một khoảng cách rất lớn. Tuy nhiên, mô hình này chỉ được áp dụng cho các góc dạng nêm rất nhỏ (< 7°). Đối với các góc dạng nêm lớn hơn và các cấu trúc kênh dẫn sóng phức tạp, chúng tôi sử dụng phương pháp mô phỏng số. Trong mô phỏng, một mô hình phần tử hữu hạn ba chiều với kích thước 4×4×10 µm3 được sử dụng. Hai cổng biên được áp dụng ở mặt sau và mặt trước của kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm để phân tích các mode có thể truyền trong cấu trúc kênh dẫn sóng. Hướng của sóng lan truyền dọc theo trục x, như trong Hình 3.1. Lớp hấp thụ lý tưởng lớn hơn năm lần so với miền tính toán. Do các trường điện từ tập trung chủ yếu ở hai đỉnh của kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm, nên việc chia lưới cực kỳ tinh ở vùng này và thô hơn ở các vùng khác. Lưới tinh nhất nằm trong vùng dạng nêm của kênh dẫn sóng được thể hiện bằng hình chữ nhật nét đứt màu đỏ trong Hình 3.2. Do mô hình có hình lăng trụ, chúng ta có thể sử dụng lưới quét dọc theo trục của kênh dẫn sóng, trục x. Chúng tôi đặt hai tham số trong quá trình chia lưới, đó là số phần tử quét ns và số phần tử trên mỗi bước sóng trong mặt cắt nm. Kích thước tối đa của phần tử quét là l/ns, trong đó l là chiều dài của kênh dẫn sóng. Kích thước tối đa của phần tử chia lưới trên mỗi bước sóng là λ/(n × nm), trong đó n là chiết suất của môi trường điện môi và là phần thực của hằng số điện môi đối với môi trường phân tán. Trong mô phỏng, chúng tôi đặt ns = 10 và nm = 60, đảm bảo sự hội tụ của phép tính sử dụng FEM. Kích thước phần tử nhỏ nhất là khoảng 1 nm tại vùng đỉnh góc của kênh dẫn sóng.
CÁC MODE TRUYỀN CỦA KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG NÊM
Sự phân bố điện trường chuẩn hóa ở các giá trị khác nhau của góc mặt bên α được thể hiện trong Hình 3.3. Như được trình bày trong Hình 3.3(a – d), điện trường tập trung chủ yếu trong không khí, gần bề mặt trên cùng của cấu trúc kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm cho mọi trường hợp. Kết quả này tương tự như mode WPP của nêm kim loại (kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm) được mô tả trong các nghiên cứu trước đây [78, 135]. 
Hình 3.3: Phân bố điện trường chuẩn hóa của mode WPP với các góc bên: (a) α = 35,26o, (b) α = 45o, (c) α = 54,7o, (d) α = 90o và (e) phân bố cường độ ánh sáng dọc theo đường cắt AA’
Hình 3.4: Phân bố của các thành phần điện trường của mode WPP: (a) Ey và (b) Ez
Tuy nhiên, trong trường hợp kênh dẫn sóng plasmonic dạng hình thang, có hai dạng nêm giống hệt nhau nằm rất gần nhau. Điều này dẫn đến một năng lượng điện từ không chỉ tập trung ở hai cạnh mà còn lan rộng trên bề mặt trên của kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm. Để làm rõ đặc điểm này, chúng tôi vẽ đồ thị các phân bố cường độ ánh sáng dọc theo đường cắt AA’ gần bề mặt trên cùng của các cấu trúc kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm, như trong Hình 3.3. Cường độ ánh sáng tập trung mạnh nhất ở hai cạnh và yếu nhất ở giữa bề mặt trên cùng. Công suất quang vào là như nhau cho mọi kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm; tuy nhiên, giá trị của cường độ điện trường rất khác nhau, đó là do sự khác biệt của sự giam giữ sóng điện từ trong mỗi cấu trúc kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm. Khi góc nghiêng tăng, cường độ điện trường tăng làm tăng cường sự giam giữ sóng điện từ. Hình 3.4 (a, b) cho thấy sự phân bố của các thành phần điện trường Ey và Ez cho trường hợp góc α = 45°. Thành phần điện trường Ey cho thấy sự phân bố không đối xứng ở hai bên, chủ yếu ở hai cạnh, trong khi thành phần điện trường Ez phân bố đối xứng trên bề mặt trên cùng của kênh dẫn sóng. Trong phần sau, chúng tôi sẽ tập trung vào nghiên cứu các đặc trưng của mode lan truyền cơ bản này của kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm.
CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG NÊM
Bốn tham số của đặc trưng lan truyền của kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm được khảo sát theo góc mặt bên được thể hiện trong Hình 3.5. Khi tăng α, chiết suất hiệu dụng tăng, trong khi diện tích mode và độ dài lan truyền giảm. Điều này chỉ ra rằng việc giam hãm được tăng cường với tổn hao tăng lên. Để đánh giá quan hệ giữa sự giam hãm ánh sáng và suy hao, chúng tôi sử dụng hệ số phẩm chất FoM, được thể hiện trong Hình 3.5 (d). Trong phần này, w và h được cố định ở kích thước lần lượt là 500 nm và 1 µm. Giá trị FoM thấp khi α nhỏ và tăng lên khi tăng α, FoM đạt được giá trị tối ưu ở khoảng α = 60°. Các chấm đỏ trong các đồ thị này tương ứng với các đặc trưng lan truyền của các kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm, trong đó góc nghiêng có thể được chế tạo bằng vi cơ khối ướt dị hướng silíc đơn tinh thể. Do đó, kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm với góc nghiêng α = 54,7°, thường được chế tạo bằng vi cơ khối ướt dị hướng một phiến silíc mặt (100), đạt được giá trị FoM tốt nhất cho kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm. Để khảo sát toàn diện hơn, chúng tôi nghiên cứu sự phụ thuộc của các đặc trưng lan truyền vào chiều rộng của bề mặt trên của kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm cho các trường hợp điển hình của góc nghiêng có thể được chế tạo bằng phương pháp khắc ướt dị hướng của silíc đơn tinh thể. Các kết quả mô phỏng được thể hiện trong Hình 3.6. Chiều rộng của bề mặt đỉnh được khảo sát trong phạm vi từ 100 nm đến 2 µm với độ thay đổi mỗi bước cách nhau 100 nm. Như đã thấy trong Hình 3.6 (a, c), khi giá trị của w tăng, chiết suất hiệu dụng giảm xuống, trong khi diện tích và độ dài lan truyền tăng ít. Việc mở rộng kích thước là do sự kết hợp giữa hai mode WPP được duy trì ở các giá trị w nhỏ. Khi w có giá trị lớn hơn, hai mode WPP trở thành hai mode WPP lan truyền độc lập và các đặc trưng đạt các giá trị ổn định. Các đặc trưng truyền nhanh chóng đạt các giá trị tiệm cận đối với các giá trị nhỏ hơn của góc mặt bên. Giá trị FoM giảm đơn điệu với w (Hình 3.6 (d)). Ở đây, có một giá trị tới hạn tại w = 400 nm. Đối với chiều rộng của bề mặt trên lớn hơn 400 nm, kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm với góc nghiêng α = 90° cho thấy đặc trưng hoạt động tốt nhất. Tuy nhiên, khi w nhỏ hơn 400 nm, kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm với góc nghiêng α = 54,7° trở nên vượt trội so với ba cấu trúc kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm còn lại.
Hình 3.5: Các đặc trưng truyền của mode WPP với sự thay đổi của góc mặt bên của kênh dẫn sóng plasmonic: (a) chỉ số mode hiệu dụng (neff), (b) diện tích mode hiệu dụng (Aeff), (c) độ dài truyền (L) và (d) hệ số phẩm chất (FoM)
Hình 3.6: Các đặc trưng truyền của mode WPP của kênh dẫn sóng plasmonic phụ thuộc vào độ rộng của bề mặt đỉnh: (a) chỉ số mode hiệu dụng (neff), (b) diện tích mode hiệu dụng (Aeff), (c) độ dài truyền (L) và (d) hệ số phẩm chất (FoM)
Tham số cấu trúc tiếp theo của kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm mà chúng tôi khảo sát ở đây là chiều cao của kênh. Chúng tôi chọn góc nghiêng α = 54,7 °, chiều rộng của bề mặt đỉnh w = 0 nm, 300 nm và 1000 nm (w = 0 là trường hợp của kênh dẫn sóng plasmonic hình tam giác). Ảnh hưởng của h đến các đặc trưng lan truyền được nghiên cứu trong phạm vi từ 200 nm đến 3 µm với bước 200 nm. Hình 3.7 (b, c) cho thấy sự giảm rất nhanh của kích thước mode và độ dài lan truyền khi chiều cao của kênh dẫn sóng plasmonic tăng. Vùng hoạt động tiệm cận ở giá trị h nhỏ hơn (~ 1200 nm) so với chiết suất hiệu dụng và độ dài lan truyền. Ở các giá trị h rất nhỏ, số sóng của mode WPP xấp xỉ với số sóng của mode plasmon ở giao diện Ag/không khí, dẫn đến sóng plasmon lan truyền trên bề mặt kim loại; do đó, diện tích mode này tăng nhanh. 
Hình 3.7: Các đặc trưng truyền của kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm phụ thuộc vào chiều cao kênh dẫn sóng: (a) chỉ số mode hiệu dụng (neff), (b) diện tích mode hiệu dụng (Aeff), (c) độ dài truyền (L) và (d) hệ số phẩm chất (FoM)
Từ Hình 3.7 (d), chúng ta có thể thấy rằng kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm hoạt động tốt nhất ở w = 0, tức là, kênh dẫn sóng hình thang trở thành kênh dẫn sóng hình tam giác. Hình 3.7 (d) cũng cho thấy giá trị FoM thu được giá trị tối đa ở các giá trị h nhỏ hơn cho các kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm với các giá trị w nhỏ hơn.
Trong các nghiên cứu trên, chúng tôi đã xem xét các kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm được đặt trong môi trường không khí có chiết suất nair = 1. Nếu chúng ta thay đổi môi trường điện môi, chiết suất sẽ trở nên lớn hơn 1 và đặc trưng lan truyền của mode WPP sẽ thay đổi. Dựa trên các kết quả nghiên cứu ở trên, chúng tôi chọn các tham số cấu trúc α = 54,7°, w = 300 nm và h = 1 µm, để nghiên cứu sự phụ thuộc của các đặc trưng lan truyền vào chiết suất của môi trường điện môi ndm. Các kết quả này được thể hiện trong Hình 3.8. 
Hình 3.8: Ảnh hưởng của chiết suất của môi trường điện môi đối với các đặc trưng truyền: (a) chỉ số mode hiệu dụng (neff), (b) diện tích mode hiệu dụng (Aeff), (c) độ dài truyền (L) và (d) hệ số phẩm chất (FoM)
Khi ndm tăng, chỉ số hiệu dụng của mode WPP lớn hơn so với chiết suất của môi trường điện môi. Khi ndm tăng, mode giam hãm được tăng cường nhưng độ suy giảm cũng tăng nhanh (Hình 3.8 (b, c)). Hình 3.8 (d) cho thấy môi trường điện môi có chiết suất thấp cho kênh dẫn sóng plasmonic với hoạt động tốt hơn. Môi trường điện môi thay đổi cũng được đề cập trong trường hợp màng Ag bị oxy hóa. Màng ôxít bạc không hỗ trợ quá trình lan truyền sóng plasmon, do đó, độ dài lan truyền của kênh dẫn sóng plasmonic với màng Ag bị oxy hóa đã giảm. Để bảo vệ màng Ag khỏi quá trình oxy hóa, một lớp silíc đi-ô-xít mỏng có thể được lắng đọng trên bề mặt màng Ag. Màng Ag cũng có thể được thay thế bằng một kim loại trơ thay thế như Au. Mặc dù độ dài lan truyền của kênh dẫn sóng plasmonic sử dụng màng Au đã giảm, nhưng các đặc trưng lan truyền khác gần giống như sử dụng màng Ag. Hơn nữa, môi trường không khí cũng có thể được thay thế bằng các vật liệu điện môi hoạt động như polyme chất lỏng hoặc quang nhiệt [114]. Do đó, bằng cách điều chỉnh chiết suất của chất lỏng hoặc polyme quang nhiệt, chúng ta có thể điều khiển được các đặc trưng lan truyền của mode WPP.
TĂNG CƯỜNG CHIỀU DÀI TRUYỀN SÓNG PLASMON BẰNG CÁCH SỬ DỤNG CÁC GIAO DIỆN LỚP ÔXÍT MỎNG/KIM LOẠI VÀ GIAO DIỆN LỚP KIM LOẠI/KIM LOẠI
Dẫn sóng plasmon được thực hiện bởi giao diện điện môi/kim loại. Kênh dạng nêm cho thấy có nhiều ưu điểm trong giam hãm ánh sáng với kích thước mode lan truyền nhỏ hơn bước sóng ánh sáng. Có một số kim loại khác nhau được sử dụng để dẫn sóng plasmon. Kim loại Ag đã chứng minh khả năng dẫn sóng plasmon vượt trội so với các kim loại khác; tuy nhiên, Ag không trơ ​​với môi trường. Để khắc phục nhược điểm này, luận án đề xuất cấu trúc dạng nêm kim loại được phủ bởi một lớp ôxít mỏng bảo vệ. Kết quả khảo sát cho thấy so với các cạnh kim loại khác nhau có cấu trúc giống hệt nhau, cạnh Ag được bao phủ bởi một lớp silíc đi-ô-xít bảo vệ mỏng cho thấy hệ số tăng cường là 7,5 lần trong chiều dài truyền trong khi hệ số phẩm chất của kênh dẫn sóng lớn hơn ít nhất là hai lần. Các kết quả nghiên cứu cho thấy ưu điểm của cấu trúc kênh dẫn sóng được đề xuất là tiềm năng để phát triển các cấu trúc dạng nêm dựa trên các thành phần plasmonic. Cấu trúc dẫn sóng plasmonic được đề xuất cũng có thể được sử dụng cho các giao diện lớp ôxít/kim loại nói chung. 
Tăng cường độ dài truyền sóng plasmon bằng cách sử dụng giao diện lớp ôxít mỏng/kim loại
Mô hình
Các kết quả khảo sát cho thấy kim loại Ag cho thấy khả năng dẫn sóng bề mặt vượt trội so với các kim loại khác, tuy nhiên, nó không trơ với môi trường và dễ bị oxy hóa. Do đó, để giải quyết vấn đề này, chúng tôi đề xuất một cấu trúc kênh dẫn sóng bao gồm một nêm Ag được bao phủ một lớp ôxít mỏng bảo vệ. Chúng tôi sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của lớp ôxít đến tính chất lan truyền của sóng plasmonic. Để xác nhận hiệu quả của cấu trúc kênh dẫn sóng được đề xuất, chúng tôi so sánh các đặc trưng lan truyền của nó với cấu trúc kênh dẫn sóng giống hệt nhau bằng cách sử dụng kim loại Au để hình thành giao diện kim loại/điện môi dẫn sóng plasmonic. Trong nghiên cứu này, chúng tôi chọn lớp SiO2 làm lớp bảo vệ cho lớp kim loại Ag. Giao diện kim loại/điện môi hình nêm ở đây được sử dụng để khảo sát; tuy nhiên, những kết quả tương tự cũng được áp dụng cho giao diện kim loại/điện môi khác. Mặt cắt ngang của kênh dẫn sóng plasmonic nêm kim loại thông thường được thể hiện trong Hình 3.9 (a) và đề xuất được thể hiện trong Hình 3.9 (b).
Hình 3.9: Sơ đồ hai cấu trúc kênh dẫn sóng plasmonic: (a) cấu trúc truyền thống và (b) dạng nêm cải tiến với lớp giao diện ôxít mỏng/kim loại
Kênh dẫn sóng WPP được hình thành bằng cách lắng đọng một lớp kim loại Ag mỏng trên kênh dẫn sóng silíc có thể được chế tạo bằng cách sử dụng tính chất ăn mòn ướt dị hướng của silíc đơn tinh thể. Do đó, góc đỉnh của kênh dẫn sóng silíc là 54,74o.
Khảo sát các đặc trưng của mô hình kênh tăng cường truyền sóng plasmon bằng giao diện lớp ôxít mỏng/kim loại
Bằng cách giải phương trình Helmholtz, chúng ta có thể tìm thấy các phân bố trường trong không gian và các đặc trưng của sóng truyền.
Đặc trưng phân bố điện trường chuẩn hóa của mode WPP cho dạng nêm kim loại Ag được đặt trong không khí (Hình 3.10 (a)) và dạng nêm kim loại Ag được bao phủ bởi lớp ôxít với hai chiều dày, to = 2 nm và to = 5 nm. Rõ ràng là khi có một lớp SiO2 mỏng được lắng đọng trên cạnh Ag, mode lan truyền được nén vào lớp SiO2. 
Hình 3.10: Mode lan truyền của kênh plasmonic dạng nêm: (a) Kim loại Ag nhúng trong không khí, (b) Kim loại Ag phủ bởi lớp SiO2 2 nm và (c) Kim loại Ag phủ bởi lớp SiO2 5 nm
Hình 3.11: Độ dài truyền của kênh sử dụng giao diện lớp ôxít mỏng/kim loại là hàm của tỉ số (to/tm) với 3 độ dày tm = 75 nm, 100 nm và 125 nm
Chúng tôi khảo sát độ dài lan truyền của mode plasmon của kênh dẫn sóng (LSPP) phụ thuộc vào tỷ lệ độ dày của lớp SiO2 (to) và kim loại (tm). Hình 3.11 cho thấy LSPP là một hàm của tỷ lệ độ dày to/tm. Kết quả khảo sát cho thấy khi tăng độ dày của lớp bảo vệ SiO2, chiều dài truyền của kênh dẫn sóng bị giảm mạnh. Khi to/tm tăng đến 1, LSPP giảm 8 lần. Trong nghiên cứu này, tm được cố định ở 75 nm, 100 nm và 125 nm. Trong trường hợp, tổng độ dày của lớp SiO2 và Ag là không đổi, LSPP là hàm của tỷ lệ độ dày to/(tm + to) với ba giá trị khác nhau của tổng độ dày tm + to = 100 nm, 150 nm và 200 nm cũng thể hiện trong Hình 3.12. LSPP phụ thuộc mạnh vào to/(tm + to). Điều này cần chú ý trong việc thiết kế lớp bảo vệ với độ dày phù hợp.
Hình 3.12: Độ dài truyền của kênh sử dụng giao diện lớp ôxít mỏng/kim loại là hàm của tỉ số (to/ (tm + to )) với 3 độ dày tổng tm + to= 100 nm, 150 nm và 200 nm
Để so sánh hoạt động của kênh dẫn sóng được đề xuất với kênh dẫn sóng dạng nêm kim loại khác, chúng tôi đã nghiên cứu các đặc trưng truyền của kênh dẫn sóng. Đối với kênh dạng nêm Ag, hai lớp SiO2 mỏng được chọn để lắng đọng có chiều dày là 2 nm và 5 nm. Những giá trị độ dày này phù hợp với các công nghệ lắng đọng màng mỏng hiện tại. Kênh dẫn sóng dạng nêm Au được sử dụng để nghiên cứu vì nó trơ với môi trường và cũng có khả năng dẫn sóng plasmonic khá tốt. Rõ ràng là kênh dạng nêm Ag được bao phủ bởi một lớp màng mỏng SiO2 có khả năng dẫn sóng SPP tốt hơn so với kênh nêm Au trong không khí. Ngay cả đối với nêm Ag đặt trong môi trường SiO2, LSPP của kênh dẫn sóng được đề xuất cũng lớn hơn nhiều. Đối với lớp SiO2 có độ dày 2 nm, LSPP của kênh dẫn sóng plasmonic được đề xuất lớn hơn 8 lần so với kênh nêm Au được đặt trong không khí (Hình 3.13 (a)). Khi chiều dày lớp SiO2 tăng lên, chiết suất hiệu dụng của