Electromagnetic behavior of nanoparticle dimers

Abstract

ABSTRACT:Nanophotonics is the part of nanoscience that is dedicated to the study of the interaction between electromagnetic radiation and matter. Specifically, the electromagnetic behavior of dielectric and/or metallic nanoparticles is currently a topic of great interest, because of their applications in such different fields as: biomedicine, communications, food industry, cosmetics, etc. In the case of metallic nanoparticles, electronic plasma in confined to nanometric scale. When they are excited with electromagnetic radiation, localized surface plasmons can be produced (LSP). Due to this phenomena, an enhancement of the electric field in the vicinity of nanoparticles is produced and the energy of incident radiation is confined to nanometric dimensions. The spectral properties of LSP depend on geometric properties (size and shape) of the nanoparticles and of the optical properties of nanoparticles and surrounding medium. In the case of dielectric nanoparticles, free electrons are not found. For this reason, resonances that are observed in spectrum are not plasmonics. In these particles magnetic effects appear as a consequence of displacement currents. The main objective of this work is to analyze the electromagnetic behavior of spherical nanoparticles dimers: metallic and dielectric with high refractive index. The study has been carried out paying attention to: spectral properties, near field maps and the spectral polarimetric parameter: “linear polarization degree measured at 90º”. We have simulated different sizes, configurations and gaps, for silver and silicon particles. Due to dimer problem cannot be result in an analytical way, in order to obtain the results we have to use a numerical method: COMSOL. With the objective of interpreting the obtained plots we have reviewed different aspects: Mie theory, Drude-Lorentz model and coupled-dipole method. The found results have allowed us understanding the interaction electromagnetic mechanisms, the possibility of generating hot-spots, and determine in which spectral ranges the dipolar electric effect dominate over the magnetic ones and vice-versa for the case of silicon particles.

RESUMEN:La nanofotónica es la parte de la nanociencia dedicada al estudio de la interacción de la radiación electromagnética con la materia a escala nanométrica. En concreto, el interés por conocer el comportamiento electromagnético de nanopartículas dieléctricas y/o metálicas es muy frecuente en la actualidad, por sus aplicaciones en campos tan diversos como la biomedicina, las comunicaciones, la industria alimentaria, la cosmética, etc. En el caso de las nanopartículas metálicas, el plasma electrónico confinado en dimensiones nanométricas, adecuadamente excitado mediante radiación electromagnética, puede producir resonancias plasmónicas localizadas (LSP). Por ello, se produce un fuerte aumento del campo electromagnético en la proximidad de la nanoestructura y la energía de la radiación incidente queda confinada en dimensiones nanometricas. Las propiedades espectrales de las LSP dependen de las propiedades geométricas (tamaño y forma) de las nanopartículas y de sus propiedades ópticas, así como de las de su entorno. En el caso de las nanopartículas dieléctricas no hay electrones libres presentes, por este motivo las resonancias que se observan en el espectro no tienen origen plasmónico. En ellas aparecen efectos magnéticos debidos a corrientes de desplazamiento. El principal objetivo del trabajo es analizar el comportamiento electromagnético de dímeros de nanopartículas esféricas: metálicas y dieléctricas con alto índice de refracción. El estudio se ha llevado a cabo prestando atención a propiedades espectrales, mapas de campo cercano y al parámetro polarimétrico espectral “grado de polarización lineal medido a 90º”. Se han estudiado diferentes configuraciones geométricas para nano-partículas de plata y silicio. Dado que el problema del dímero no tiene solución analítica, para conseguir los resultados se ha utilizado como método numérico COMSOL. Los resultados encontrados nos han permitido comprender los mecanismos electromagnéticos de interacción, la posibilidad de generar “hot-spots” y determinar en qué regiones espectrales dominan los efectos dipolares eléctricos sobre los magnéticos y vice-versa para el caso de partículas de silicio.