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Mar 19, 2023

Meta di permettività del gradiente

Scientific Reports volume 6,

Scientific Reports volume 6, numero articolo: 23460 (2016) Citare questo articolo

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In questo lavoro sono stati proposti e discussi un modello di metastruttura di gradiente permettività (GPMS) e la sua applicazione nell'imaging a super risoluzione. Il GPMS proposto è costituito da film metallici e dielettrici alternati con un gradiente di permettività in grado di supportare modelli di interferenza di onde stazionarie di plasmoni di superficie (SP) con una super risoluzione. Utilizzando il rigoroso metodo di simulazione numerica FDTD, il GPMS è stato simulato attentamente per scoprire che il periodo del modello di interferenza degli SP è di soli 84 nm per una luce incidente di 532 nm. Inoltre, è stata discussa anche la potenziale applicazione del GPMS per l'imaging a super risoluzione ad ampio campo e i risultati della simulazione mostrano che una risoluzione dell'immagine inferiore a -45 nm può essere ottenuta sulla base del metodo microscopico di illuminazione della struttura plasmonica, il che significa un 5,3- è stato ottenuto un miglioramento della risoluzione rispetto alla microscopia a epifluorescenza convenzionale. Inoltre, oltre all'applicazione di imaging a super risoluzione, il modello GPMS proposto può essere applicato anche alla nanolitografia e ad altre aree in cui sono necessari modelli a super risoluzione.

I plasmoni di superficie (SP) sono onde elettromagnetiche superficiali intrappolate nell'interfaccia metallo-dielettrico a causa delle oscillazioni collettive degli elettroni liberi del metallo1. Le loro proprietà interessanti, come la forte localizzazione e la grande quantità di moto nel piano, sono state sfruttate per applicazioni nei biosensori2,3, nell'ottica non lineare4 e nell'imaging a super risoluzione5,6. Il vettore d'onda kspof SP può essere superiore a quello della luce eccitata nell'aria (k0) selezionando attentamente la permettività dei materiali dielettrici e metallici. Pertanto, gli SP sono candidati ideali per scopi di miglioramento della risoluzione. Negli ultimi decenni, la super-risoluzione degli SP è stata ampiamente studiata e applicata alle lenti perfette7, alle superlenti argento8,9 e alle iperlenti10. Questi dispositivi hanno un grande potenziale per la microscopia a super risoluzione in campo vicino. Inoltre, gli SP possono essere impiegati anche in modalità di imaging microscopico a campo lontano, come la microscopia a fluorescenza a risonanza plasmonica superficiale a onde stazionarie (SW-SPRF)11,12,13 e la microscopia a illuminazione strutturata (SIM)14,15. In questi due metodi, i modelli d'onda degli SP stazionari vengono utilizzati come modelli di illuminazione. Normalmente è possibile ottenere un miglioramento della risoluzione con una risoluzione laterale più che doppia rispetto alla microscopia a epifluorescenza convenzionale. Poiché il miglioramento della risoluzione di questi microscopi si basa sulla frequenza spaziale dei modelli di illuminazione, l'aumento di ksp è fondamentale. Studi precedenti mostrano che gli SP con un'alta frequenza possono essere eccitati sulla superficie di un singolo strato metallico14,16. Negli ultimi anni sono stati fatti molti sforzi anche per migliorare ulteriormente il kspby impiegando multistrato. G. Bartal et al. ha costruito una piattaforma 2D di nitruro di argento-silicio-aria per realizzare una macchia focale di 70 nm di SP con una lunghezza d'onda corta17. Tuttavia, lo strato dielettrico utilizzato in questo progetto ha una permettività piuttosto elevata, che può bloccare l'interazione del campo vicino tra il campione biologico e la pellicola metallica. I metamateriali iperbolici, un tipo di materiale anisotropo in termini di permettività che può supportare un ksp molto elevato, stanno attirando sempre più interesse18,19,20,21,22,23 molto recentemente. Sebbene i materiali iperbolici possano essere progettati con cura per ottenere un elevato vettore d'onda di SP, richiedono processi di nanofabbricazione impegnativi e costosi e l'errore di ciascuna coppia di materiali metallo/dielettrico influenzerebbe l'accuratezza dei risultati. Pertanto, si preferiscono meno coppie o forme alternative di metamateriali iperbolici per ottenere una lunghezza d'onda corta degli SP e per facilitare allo stesso tempo il processo di nanofabbricazione.

In questo articolo, viene presentato un modello piuttosto semplice ed elegante, la cosiddetta struttura metamateriale a gradiente permettivo (GPMS), per realizzare SP a lunghezza d'onda corta. Questo tipo di struttura è costituita da tre film dielettrici successivi con permettività del gradiente ridotta con sottili film d'argento tra i film dielettrici. Utilizzando il metodo del dominio del tempo alle differenze finite (FDTD), il GPMS proposto viene attentamente simulato e analizzato per scoprire che l'onda SP stazionaria con un periodo di 84 nm in una dimensione può essere ottenuta per una lunghezza d'onda incidente di 532 nm. Inoltre, è teoricamente dimostrata la possibilità di migliorare la risoluzione dell'immagine utilizzando il GPMS nel metodo microscopico di illuminazione della struttura plasmonica. Si è riscontrato che nel GPMS è possibile ottenere una risoluzione di 41 nm in una dimensione. Infine, viene discusso anche il meccanismo fisico per supportare gli SP a lunghezza d'onda corta nei GPMS.