شبيه سازي FDTD انتشار امواج الكترومغناطيسي در نانوذرات طلا با استفاده از مدل پاشندگي عمومي

The FDTD simulation of Electromagnetic Wave Propagation In Gold Nanoparticles by Using A General Dispersion Model

مطالعه تئوري برهمكنش نور با نانو ذرات مي تواند به عنوان يك ابزار طراحي دقيق براي ساخت نانوساختارها با كاربردهاي موردنظر به كار گرفته شود. با توجه به محدوده فركانسي، اندازه و شكل اين نانو ساختارها لازم است كه معادلات تمام برداري ماكسول حل شود. جز در موارد خاص، حل تحليلي وجود ندارد و بايد از تكنيكهاي محاسباتي استفاده شود. تكنيك تفاضل متناهي دامنه زمان( FDTD)، براي محاسبه برهم كنش نور با مواد دي الكتريك در شاخه هاي مختلف علوم به كار گرفته مي شود. از آن جاني كه FDTD يك روش دامنه زمان مي باشد، امكان استفاده از داده هاي آزمايشگاهي براي توصيف خواص اپتيكي گذردهي، تراوايي) مواد وجود ندارد و بايد از مدل هاي توصيفي (درود، لورنتس و ..) استفاده كرد. در ناحيه نزديك فروسرخ مدل درود توصيف قابل قبولي از ثابت گذردهي طلا را بدست مي دهد. اما به دليل عدم توانايي اين مدل در توصيف خواص اپتيكي نانو ذرات طلا مخصوصا در طول موج هاي پايين تر از 50 نانومتر ، مدل عمومي ارائه مي گردد. به كمك اين مدل مي توان مواد پاشنده را در طيف وسيعي از فركانس ها در فضاي FDTD شبيه سازي نمود. در اين مقاله برهم كنش نور با نانو استوانه هاي متناهي طلا و محاسبه سطح مقطع پراكندگي(SCS) و مقايسه آن با حل تحليلي مورد بررسي قرار مي گيرد. مي بينيم كه مدل درود با حمل تحليلي در طول موج هاي زير 50 نانومتر هم خواني ندارد

The theoretical study of the underlying physics of light interaction with nanoparticles can provide a design rule for the development of complex nanostructures with particular applications. Regarding the size and geometry of the structure and the frequency range, the solution of full vectorial Maxwell equations is often required. Analytical solutions are available only for simple geometries. To study more complicated nanostructures, we need to employ computational techniques.The Finite Difference Time Domain (FDTD) method has been widely used to simulate light scattering by dielectric particles Nevertheless, a major drawback of using FDTD for dispersive material is that we can not rely on tabulated data of dielectric constant and an analytical model of dispersion is required. In the near infrared, Drude model gives an acceptable description of the permittivity of gold. However, it can not accurately describe the dispersion function in the optical range, particularly for the wavelengths below 650nm. To overcome this limitation, we employ a general model which is expressed as a function of various powers of frequency. This model can describe the permittivity of gold over a wide range of frequencies.To validate our approach, we consider the light interaction with an infinite gold nanocylinder and compute the scattering cross section and compare it with the analytical solution. It is shown that the agreement between Drude model and the analytical solution decreases for wavelengths below 650nm. While the General Model shows quite good agreement