Численное моделирование влияния пары наночастиц на электромагнитное поле в ближней зоне методом векторных конечных элементов
Автор: Курочка Константин Сергеевич
Журнал: Компьютерная оптика @computer-optics
Рубрика: Дифракционная оптика, оптические технологии
Статья в выпуске: 4 т.42, 2018 года.
Бесплатный доступ
В работе предлагается математическая модель на основе векторного метода конечных элементов для исследования распределения электромагнитного поля в ближней зоне пары сферических наночастиц. Данная модель позволила разработать алгоритмы и соответствующее программное обеспечение. Была проведена верификация, показавшая, что расхождение результатов исследования предлагаемой математической модели и имеющихся данных расчётов по аналитическим формулам согласно теории Ми (G. Mie) для однородных сферических наночастиц не превышает 10 %. С помощью созданного программного обеспечения проведён вычислительный эксперимент с целью определения расположения пары металлических наночастиц, при котором интенсивность электромагнитного поля в ближней зоне будет достигать наибольшего значения. Достоинством предлагаемой математической модели и методики её применения является использование в качестве конечных элементов тетраэдров, позволяющих с достаточной для практических целей точностью аппроксимировать неоднородную структуру наноматериала. Кроме того, обеспечивается непрерывность во всей расчётной области тангенциальной компоненты электромагнитного поля.
Математическое моделирование, рассеяние света малыми частицами, электромагнитное поле, численное решение, векторный метод конечных элементов
Короткий адрес: https://sciup.org/140238417
IDR: 140238417 | DOI: 10.18287/2412-6179-2018-42-4-542-549
Список литературы Численное моделирование влияния пары наночастиц на электромагнитное поле в ближней зоне методом векторных конечных элементов
- Краснок, А.Е. Оптические наноантенны/А.Е. Краснок, И.С. Максимов, А.И. Денисюк, П.А. Белов, А.Е. Мирошниченко, К.Р. Симовский, Ю.С. Кившарь//Успехи физических наук. -2013. -№ 183. -P. 561-589. - DOI: 10.3367/UFNr.0183.201306a.0561
- Алексеенко, А.А. Функциональные материалы на основе диоксида кремния, получаемые золь-гель-методом/А.А. Алексеенко, А.А. Бойко, Е.Н. Подденежный. -Гомель: ГГТУ им. П.О. Сухого, 2008. -183 с. -ISBN: 978-985-420-725-4.
- Климов, В.В. Наноплазмоника/В.В. Климов. -М.: Физматлит, 2009. -480 с. -ISBN: 978-5-9221-1205-5.
- Ибрагимов, И.М. Основы компьютерного моделирования наносистем: Учебное пособие/И.М. Ибрагимов, А.Н. Ковшов, Ю.Ф. Назаров. -СПб.: Лань, 2010. -384 с. -ISBN:978-5-8114-1032-3.
- Ван де Хюлст, Г. Рассеяние света малыми частицами/Г. ван де Хюлст. -М.: Изд-во иностранной литературы, 1961. -537 с.
- Tamaru, H. Resonant light scattering from individual Ag nanoparticles and particle pairs/H. Tamaru, H. Kuwata, H.T. Miyazaki, K. Miyano//Applied Physics Letters. -2002. -Vol. 80, Issue 10. -P. 1826-1828. - DOI: 10.1063/1.1461072
- Rechberger, W. Optical properties of two interacting gold nanoparticles/W. Rechberger, A. Hohenau, A. Leitner, J.R. Krenn, B. Lamprecht, F.R. Aussenegg//Optics Communications. -2002. -Vol. 220, Issues 1-3. -P. 137-141. - DOI: 10.1016/S0030-4018(03)01357-9
- Курочка, К.С. Построение программно-аппаратного комплекса для исследования распределения электромагнитного поля в ближней зоне диэлектрических и металлических наночастиц/К.С. Курочка, О.Д. Асенчик, Е.Г. Стародубцев//Доклады БГУИР. -2013. -№ 3(81). -С. 64-70.
- Smajic, J. Comparison of numerical methods for the analysis of plasmonic structures/J. Smajic, C. Hafner, L. Raguin, K. Tavzarashvili, M. Mishrikey//Journal of Computational and Theoretical Nanoscience. -2009. -Vol. 6, Number 3. -P. 763-774. - DOI: 10.1166/jctn.2009.1107
- Karamehmedović, M. Comparison of numerical methods in near-field computation for metallic nanoparticles/M. Karamehmedović, R. Schuh, V. Schmidt, Th. Wriedt, Ch. Matyssek, W. Hergert, A. Stalmashonak, G. Seifert, O. Stranik//Optic Express. -2011. -Vol. 19, Issue 9. -P. 8939-8953. - DOI: 10.1364/OE.19.008939
- Sadiku, M.N.O. Numerical techniques in electromagnetics/M.N.O. Sadiku. -2nd ed. -London: CRC Press, 2003.
- Taflove, A. Computational electrodynamics: The finite-difference time-domain method/A. Taflove, S.C. Hagnes. -3rd ed. -Boston, London: Artech House Publishers, 2005. -ISBN: 978-1-58053-832-9.
- Mishchenko, M.I. T-matrix computations of light scattering by nonspherical particles: A review/M.I. Mishchenko, L.D. Travis, D.W. Mackowski//Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. -1996. -Vol. 55, Issue 5. -P. 535-575. - DOI: 10.1016/0022-4073(96)00002-7
- Draine, B.T. Discrete dipole approximation for scattering calculations/B.T. Draine, P.J. Flatau//Journal of the Optical Society of America A. -2004. -Vol. 11, Issue 4. -P. 1491-1499. - DOI: 10.1364/JOSAA.11.001491
- Jin, J.-M. Theory and computation of electromagnetic fields/J.-M. Jin. -Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2010. -616 p. -ISBN: 978-0-470-53359-8.
- Monk, P. Finite element methods for Maxwell's equations/P. Monk. -Oxford: Oxford University Press, 2003. -464 p. -ISBN: 978-0-19-850888-5.
- Ringler, M. Shaping emission spectra of fluorescent molecules with single plasmonic nanoresonators/M. Ringler, A. Schwemer, M. Wunderlich, A. Nichtl, K. Kürzinger, T.A. Klar, J. Feldmann//Physical Review Letters. -2008. Vol. 100, Issue 20. -203002. - DOI: 10.1103/PhysRevLett.100.203002
- Xu, H.-X. A new method by extending Mie theory to calculate local field in outside/inside of aggregates of arbitrary spheres/H.-X. Xu//Physics Letters A. -2003. -Vol. 312, Issues 5-6. -P. 411-419. - DOI: 10.1016/S0375-9601(03)00687-X
- Xiao, J.J. Optical response of strongly coupled metal nanoparticles in dimer arrays/J.J. Xiao, J.P. Huang, K.W. Yu//Physical Review B. -2005. -Vol. 71. -045404. - DOI: 10.1103/PhysRevB.71.045404
- Nordlander, P. Plasmon hybridization in nanoparticle dimers/P. Nordlander, C. Oubre, E. Prodan, K. Li, M.I. Stockman//Nano Letters. -2004. -Vol. 4, Issue 5. -P. 899-903. - DOI: 10.1021/nl049681c
- Doicu, А. Light scattering by systems of particles: Null-field method with discrete sources: Theory and programs/A. Doicu, T. Wriedt, Y.A. Eremin. -Berlin, Heidelberg, New York: Springer, 2006. -337 p. -ISBN: 978-3-540-33696-9.
- Mackowski, DW. A multiple sphere T-matrix Fortran code for use on parallel computer clusters/D.W. Mackowski, M.I. Mishchenko//Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. -2011. -Vol. 112, Issue 13. -P. 2182-2192. - DOI: 10.1016/j.jqsrt.2011.02.019
- Romero, I. Plasmons in nearly touching metallic nanoparticles: Singular response in the limit of touching dimers/I. Romero, J. Aizpurua, G.W. Bryant, F.J. García de Abajo//Optics Express. -2016. -Vol. 14, Issue 21. -P. 9988-9999. - DOI: 10.1364/OE.14.009988
- Курочка, К.С. Конечно-элементное моделирование распределения электромагнитного поля в ближней зоне сферической наночастицы/К.С. Курочка//Информатика. -2016. -№ 4(52). -С. 33-41.
- Hellmers, J. Classification of software for the simulation of light scattering and realization within an internet information portal/J. Hellmers, T. Wriedt//Journal of Universal Computer Science. -2010. -Vol. 16, Issue 9. -P. 1176-1189. - DOI: 10.3217/jucs-016-09-1176
- Oskooi, А.F. MEEP: A flexible free-software package for electromagnetic simulations by the FDTD method/A.F. Oskooi, D. Roundy, M. Ibanescu, P. Bermel, J.D. Joannopoulos, S.G. Johnson//Computer Physics Communications. -2010. -Vol. 181. -P. 687-702. - DOI: 10.1016/j.cpc.2009.11.008
- Mishchenko, M.I. Scattering, absorption, and emission of light by small particles/M.I. Mishchenko, L.D. Travis, A.A. Lacis. -Cambridge: Cambridge University Press, 2003. -ISBN: 978-0-521-78252-4.
- Berenger, J.P. An effective PML for the absorption of evanescent waves in waveguides/J.P. Berenger//IEEE Microwave and Guided Wave Letters. -1988. -Vol. 8, Issue 5. -P. 188-190. - DOI: 10.1109/75.668706
- Hackbusch, W. Iterative solution of large sparse systems of equations./W. Hackbusch. -2nd ed. -Springer, 2016. -509 p. -ISBN: 978-3-319-28481-1.
Статья научная
