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Oct 05, 2023

Meta de permissividade de gradiente

Relatórios Científicos volume 6,

Scientific Reports volume 6, Número do artigo: 23460 (2016) Citar este artigo

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Um modelo de metaestrutura de permissividade de gradiente (GPMS) e sua aplicação em imagens de super-resolução foram propostos e discutidos neste trabalho. O GPMS proposto consiste em filmes metálicos e dielétricos alternativos com permissividade de gradiente que podem suportar padrões de interferência de ondas estacionárias de plasmons de superfície (SPs) com uma super resolução. Empregando o rigoroso método de simulação numérica FDTD, o GPMS foi cuidadosamente simulado para descobrir que o período do padrão de interferência dos SPs é de apenas 84 nm para uma luz incidente de 532 nm. Além disso, a aplicação potencial do GPMS para imagem de super-resolução de campo amplo também foi discutida e os resultados da simulação mostram que uma resolução de imagem de sub-45 nm pode ser alcançada com base no método microscópico de iluminação de estrutura plasmônica, o que significa um 5,3- Melhoria de dobra na resolução foi alcançada em comparação com a microscopia de epifluorescência convencional. Além disso, além da aplicação de imagem de super-resolução, o modelo GPMS proposto também pode ser aplicado para nanolitografia e outras áreas onde são necessários padrões de super-resolução.

Plasmons de superfície (SPs) são ondas eletromagnéticas de superfície aprisionadas na interface metal-dielétrico devido às oscilações coletivas de elétrons livres do metal1. Suas propriedades intrigantes, como localização forte e grande natureza de momento no plano, foram exploradas para aplicações em biossensores2,3, óptica não linear4 e imagens de super-resolução5,6. O vetor de onda kspof SPs pode ser maior que o da luz excitada no ar (k0) selecionando cuidadosamente a permissividade dos materiais dielétricos e metálicos. Portanto, SPs são candidatos ideais para fins de melhoria de resolução. Nas últimas décadas, a superresolução SPs tem sido amplamente estudada e aplicada em lentes perfeitas7, superlentes prateadas8,9 e hiperlentes10. Esses dispositivos têm grande potencial para microscopia de super-resolução de campo próximo. Além disso, os SPs também podem ser empregados no modo de imagem microscópica de campo distante, como microscopia de fluorescência de ressonância plasmônica de superfície de onda estacionária (SW-SPRF)11,12,13 e microscopia de iluminação estruturada (SIM)14,15. Nestes dois métodos, padrões de onda de SPs estacionários são usados ​​como padrões de iluminação. Um aumento de resolução com mais de duas vezes na resolução lateral normalmente pode ser alcançado em comparação com a microscopia de epifluorescência convencional. Como a melhoria da resolução desses microscópios depende da frequência espacial dos padrões de iluminação, o aumento do ksp é crítico. Estudos anteriores mostram que SPs com alta frequência podem ser excitados na superfície de uma única camada de metal14,16. Muitos esforços também são feitos para melhorar ainda mais o ksp, empregando multicamadas nos últimos anos. G. Bartal et ai. construiu uma plataforma 2D de prata-silício-ar para realizar um ponto focal de 70 nm de SPs com um comprimento de onda curto17. No entanto, a camada dielétrica empregada neste projeto tem uma permissividade bastante alta, o que pode bloquear a interação de campo próximo entre o espécime biológico e o filme de metal. Metamateriais hiperbólicos, um tipo de material anisotrópico em termos de permissividade que pode suportar um ksp muito alto, estão atraindo cada vez mais interesse18,19,20,21,22,23 muito recentemente. Embora os materiais hiperbólicos possam ser cuidadosamente projetados para obter alto vetor de onda de SPs, eles exigem processos de nanofabricação desafiadores e caros e o erro de cada par de materiais metal/dielétrico influenciaria a precisão dos resultados. Portanto, menos pares ou formas alternativas de metamateriais hiperbólicos são preferidos para alcançar comprimento de onda curto de SPs e para facilitar o processo de nanofabricação ao mesmo tempo.

Neste artigo, um modelo bastante simples e elegante, denominado estrutura de metamaterial de permissividade de gradiente (GPMS), é apresentado para realizar SPs de comprimento de onda curto. Este tipo de estrutura consiste em três filmes dielétricos sucessivos com permissividade de gradiente diminuída com filmes finos de prata entre os filmes dielétricos. Empregando o método de domínio do tempo de diferenças finitas (FDTD), o GPMS proposto é cuidadosamente simulado e analisado para descobrir que a onda estacionária SPs com um período de 84 nm em uma dimensão pode ser obtida para um comprimento de onda incidente de 532 nm. Além disso, é demonstrada teoricamente a possibilidade de melhorar a resolução da imagem empregando o GPMS no método microscópico de iluminação de estrutura plasmônica. Verificou-se que uma resolução de 41 nm pode ser alcançada em uma dimensão no GPMS. Finalmente, o mecanismo físico para suportar SPs de comprimento de onda curto no GPMS também é discutido.