Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm

Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm. Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm. Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm. Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm. Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm. Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm. Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm. Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm. Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm. Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm. Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm. Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm. Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THANH HƯƠNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG NÊM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội - 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THANH HƯƠNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG NÊM Ngành: Khoa học Vật liệu Mã số: 9440122 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS CHU MẠNH HOÀNG TS PHẠM ĐỨC THÀNH Hà Nội - 2022 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn PGS TS Chu Mạnh Hoàng TS Phạm Đức Thành Các số liệu kết luận án hồn tồn trung thực chưa cơng bố cơng trình khoa học khác Thay mặt Tập thể hướng dẫn Tác giả PGS TS Chu Mạnh Hoàng Nguyễn Thanh Hương iii LỜI CẢM ƠN Trước hết, tơi xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Chu Mạnh Hoàng TS Phạm Đức Thành, người thầy truyền động lực nghiên cứu cho tơi, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình học tập, nghiên cứu thực luận án Nhờ bảo tận tình thầy, tơi có kiến thức khoa học vật liệu, công nghệ chế tạo, kinh nghiệm phương pháp nghiên cứu hết có kiên trì theo đường nghiên cứu khoa học Tôi xin chân thành cảm ơn Viện ITIMS, trường ĐH Bách Khoa Hà Nội, trường ĐH Kinh tế Quốc dân tạo điều kiện thời gian, vật chất tinh thần giúp hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn GS.TS Vũ Ngọc Hùng, TS Vũ Thu Hiền, anh, chị, em phịng thí nghiệm MEMS, Viện ITIMS: ThS Nguyễn Văn Chính, TS Nguyễn Ngọc Minh, TS Đặng Văn Hiếu, TS Nguyễn Văn Minh, TS Nguyễn Thị Quỳnh Chi, PGS.TS Ngô Đức Quân, ThS Nguyễn Ngọc Sơn, ThS Lê Văn Tâm… chia sẻ kinh nghiệm nghiên cứu khoa học, động viên có thảo luận góp ý giúp tơi hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Văn Toán tạo điều kiện hướng dẫn sử dụng thiết bị làm việc phịng Tơi xin gửi lời cảm ơn tới người thân, bạn bè đồng nghiệp bên, động viên khích lệ tơi thời gian qua Tơi xin cảm ơn cán bộ, giảng viên môn Công nghệ thông tin, trường ĐH Kinh tế Quốc dân quan tâm, hỗ trợ công việc để tơi tập trung hồn thành luận án Cuối cùng, tơi xin giành lời cảm ơn cho gia đình, gia đình hậu phương vững chắc, chỗ dựa tinh thần để tơi n tâm nghiên cứu suốt thời gian vừa qua Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Tác giả Nguyễn Thanh Hương MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .vi DANH MỤC HÌNH VẼ vii DANH MỤC BẢNG xiii MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .5 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC 1.1.1 Sơ lược trình phát triển 1.1.2 Các ứng dụng plasmonic 1.1.3 Cơ sở lý thuyết polariton plasmon bề mặt 11 1.1.4 Nguyên lý polariton plasmon bề mặt 12 1.1.5 Các phương pháp kích thích kết cặp polariton plasmon bề mặt .16 1.1.6 Phân loại kênh dẫn sóng plasmonic 18 1.2 KÊNH DẪN SÓNG DẠNG NÊM 20 1.2.1 Cấu trúc kênh dẫn sóng dạng nêm truyền thống .20 1.2.2 Các kênh dẫn sóng dạng nêm lai .21 1.2.3 Một số ứng dụng kênh dẫn sóng plasmon dạng nêm 23 1.3 KÊNH DẪN SÓNG DẠNG RÃNH 25 1.3.1 Cấu trúc kênh dẫn sóng dạng rãnh truyền thống .25 1.3.2 Các kênh dẫn sóng dạng rãnh lai 27 1.3.3 Một số ứng dụng kênh dẫn sóng dạng rãnh 27 1.4 KÊNH DẪN SÓNG KHE HẸP LAI .29 1.5 CÁC CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG NÊM…… 31 1.6 PHÁT TRIỂN GẦN ĐÂY CỦA KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC 33 1.7 MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN 36 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 38 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT KÊNH DẪN SĨNG PLASMONIC 38 2.2 MƠ PHỎNG KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC 40 2.2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn 40 2.2.2 Phương pháp chia lưới nghiên cứu hội tụ vào chia lưới 41 CHƯƠNG 3: KÊNH DẪN SĨNG PLASMONIC DẠNG NÊM DỰA TRÊN ĂN MỊN DỊ HƯỚNG ƯỚT 50 3.1 KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG NÊM 51 3.2 CÁC MODE TRUYỀN CỦA KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG NÊM……… 54 3.3 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG NÊM……… 56 3.4 TĂNG CƯỜNG CHIỀU DÀI TRUYỀN SÓNG PLASMON BẰNG CÁCH SỬ DỤNG CÁC GIAO DIỆN LỚP ƠXÍT MỎNG/KIM LOẠI VÀ GIAO DIỆN LỚP KIM LOẠI/KIM LOẠI 60 3.4.1 Tăng cường độ dài truyền sóng plasmon cách sử dụng giao diện lớp ơxít mỏng/kim loại 61 3.4.2 Tăng cường độ dài truyền sóng plasmon cách sử dụng giao diện lớp kim loại /kim loại 65 3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 68 CHƯƠNG 4: KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC LAI 69 4.1 CẤU TRÚC KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC KHE HẸP LAI 70 4.2 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC HGSPPWRMW-RDW 72 4.3 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC HGSPPWTMW-RDW .76 4.4 ẢNH HƯỞNG CỦA DUNG SAI CHẾ TẠO 78 4.4.1 Sai lệch nêm kim loại kênh dẫn sóng điện mơi 79 4.4.2 Độ xoay nêm kim loại 80 4.4.3 Độ trịn góc đỉnh nêm kim loại 80 4.4.4 Nhiễu chéo gây thành phần điện môi kết cặp với kênh dẫn sóng điện mơi 80 4.4.5 Kết cặp kênh dẫn sóng 82 4.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 84 CHƯƠNG 5: KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC LAI TÙY BIẾN 86 5.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐẶC TRƯNG CỦA KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC LAI 86 5.2 KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC KHE HẸP LAI TÙY BIẾN DỰA TRÊN CHẤT LỎNG 90 5.3 TÙY BIẾN CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC LAI BẰNG CÁCH NHIỄU LOẠN SĨNG RÌA 92 5.3.1 Mơ hình kênh dẫn sóng plasmonic lai tùy biến 93 5.3.2 Tùy biến đặc trưng truyền sóng plasmonic .97 5.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG .101 KẾT LUẬN 103 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO .107 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt 2PP Two-Photon Polymerization Polyme hóa hai photon ATR Attenuated Total Reflectance Phản xạ tồn phần điều biến CDW Circular Dielectric Waveguide Kênh dẫn sóng điện mơi có mặt cắt hình trịn CPP Channel Plasmon-Polariton Kênh dẫn sóng plasmon dạng kênh DW Dielectric Waveguide Kênh dẫn sóng điện mơi FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn FIB Focused Ion Beam Chùm tia ion hội tụ FoM Figure of Merit Hệ số phẩm chất FWHM Full Width At Half Maximum Chiều rộng nửa cực đại HGP Hybrid Gap Plasmon Plasmon khe hẹp lai HGSPPW Hybrid Gap Surface Plasmon Polariton Waveguide Kênh dẫn sóng plasmonic khe hẹp lai LSP Localized Surface Plasmon Plasmon bề mặt định xứ MEMS Microelectromechanical Systems Hệ thống vi điện tử OLED Organic Light-Emiting Diode Đi ốt phát ánh sáng hữu RDW Rectangular High-RefractiveIndex Dielectric Waveguide Kênh dẫn sóng điện mơi số khúc xạ cao có mặt cắt ngang hình chữ nhật RMW Rectangular Metallic Wedge Nêm kim loại hình chữ nhật SOI Silicon On Insulator Phiến silíc-ơxít-silíc SPP Surface Plasmon Polariton Polariton plasmon bề mặt TM Transverse Magnetic Từ trường ngang TMW Tapered Metallic Wedge Nêm kim loại WPP Wedge Plasmon Polariton Polariton plasmon đỉnh nêm DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sự gia tăng nghiên cứu plasmonic [5] .6 Hình 1.2: Tốc độ xử lý phụ thuộc vào kích thước cơng nghệ chế tạo chíp [25] Hình 1.3: Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt 12 Hình 1.4: Mơ hình lan truyền SPP giao diện kim loại/ điện môi 13 Hình 1.5: Mơ hình hệ thống ba lớp 15 Hình 1.6: Xấp xỉ kênh dạng nêm dạng rãnh 15 Hình 1.7: Vectơ sóng k kSPP 16 Hình 1.8: Kết cặp lăng kính SPP cấu hình Otto (a) Kretschmann (b) 16 Hình 1.9: Sơ đồ kết cặp kênh dẫn sóng 17 Hình 1.10: Sơ đồ kết cặp cách tử 18 Hình 1.11: Một số cấu trúc kênh dẫn sóng: (a) tải điện mơi, (b) dải kim loại, (c) dạng nêm, (d) dạng rãnh, (e) chuỗi hạt nano kim loại (g1-g5) khe hẹp lai 19 Hình 1.12: Sơ đồ kênh dẫn sóng dạng nêm truyền thống: (a) cấu trúc cạnh bề mặt kim loại; vật liệu xung quanh kênh dẫn sóng điện mơi, thường khơng khí, (b) cấu trúc bao gồm kênh dẫn sóng điện mơi phủ lớp kim loại (c) cấu trúc tương tự (a) bao phủ lớp điện mơi phía nêm kim loại 21 Hình 1.13: Sơ đồ mặt cắt ngang kênh dẫn sóng plasmon dạng nêm lai điển hình: (a) kênh dẫn sóng dạng nêm điện môi lai, (b) cấu trúc bao gồm lớp đệm silíc kẹp lớp bạc kênh silíc tam giác, (c) cấu trúc bao gồm kênh dẫn sóng bán dẫn hình tam giác bao quanh lớp kim loại thông qua lớp điện môi, (d) cấu trúc bao gồm kênh dẫn sóng bán dẫn hình tam giác đặt bạc với khoảng trống, (e) dây nano bán dẫn tròn kênh dẫn sóng dạng nêm kim loại, (f) kênh dẫn sóng điện mơi hình tam giác đặt kênh dẫn kim loại hình tam giác (e, f, g, h) kênh dẫn sóng dạng nêm kết cặp đơn kết cặp đôi 22 Hình 1.14: Sơ đồ điều biến pha plasmonic [98] 24 KẾT LUẬN Dựa kết nghiên cứu đạt luận án, số kết luận rút sau: - Luận án đưa cấu trúc hình học khác kênh dẫn sóng plasmonic đơn cấu tạo từ kênh dẫn sóng điện mơi silíc có độ nhám thấp mức ngun tử phủ lớp kim loại mỏng dựa vào tính chất ăn mịn dị hướng ướt silíc đơn tinh thể Kênh dẫn sóng plasmonic đơn hoạt động tối ưu tìm thấy với góc mặt bên khoảng 60 o, chiều dài truyền kênh dẫn sóng đạt 400 µm, diện tích mode truyền λ2/103 sử dụng kim loại Ag làm lớp phủ tạo giao diện điện mơi/kim loại dẫn sóng plasmonic - Luận án đề xuất thiết kế cấu trúc kênh dẫn sóng plasmonic, lớp kim loại Ag có tính chất dẫn sóng plasmon tốt dễ bị oxy hóa phủ lớp oxít kim loại mỏng có tính chất trơ với môi trường để bảo vệ lớp màng mỏng Ag Kết khảo sát thể chiều dài truyền tăng cường lên gấp lần so với kênh dẫn sóng plasmonic sử dụng kim loại trơ với môi trường Au để tạo giao diện kim loại/điện mơi cho dẫn sóng plasmonic - Luận án đề xuất kênh dẫn sóng plasmonic lai có độ suy hao truyền thấp với kích thước mode truyền nhỏ nhiều kích thước bước sóng ánh sáng truyền Kênh dẫn sóng có khoảng cách truyền tỷ lệ cm, diện tích mode truyền có kích thước nhỏ nhiều kích thước bước sóng ánh sáng (λ2/105) Các nhân tố ảnh hưởng sai số trình chế tạo thành phần kết cặp tới đặc trưng truyền kênh dẫn sóng khảo sát Qua kết khảo sát cho phép kênh dẫn sóng chế tạo với sai số công nghệ không làm thay đổi nhiều tính chất mode truyền kênh dẫn sóng thu từ thực nghiệm - Luận án đưa kênh dẫn sóng lai tùy biến Kênh dẫn sóng với cấu trúc tích hợp ứng dụng chế tùy biến để điều khiển đặc trưng truyền Các chế tùy biến ứng dụng kênh dẫn sóng lai điều khiển khoảng cách khe điện môi, chiết suất môi trường khe điện mơi chiết suất kênh dẫn sóng điện môi Dựa kết khảo sát thể chế tùy biến dựa điều khiển chiết suất kênh dẫn sóng điện mơi thể ưu việt so với hai chế lại khả điều khiển khoảng cách truyền lớn, diện tích mode truyền giữ khơng đổi q trình điều biến Dựa kết nghiên cứu so sánh vậy, luận án đưa chế tùy biến khả thi để điều khiển chiết suất kênh dẫn sóng điện mơi sử dụng điện cực nhiễu loạn sóng rìa kênh dẫn sóng điện môi Kết khảo sát thể rằng, điều khiển khoảng cách truyền tới 100%, diện tích mode truyền (λ2/105) khơng bị thay đổi trình điều khiển chiều dài truyền Định hướng nghiên cứu - Xây dựng hệ thống đo lường để khảo sát thực nghiệm đặc trưng truyền kênh dẫn sóng plasmonic chế tạo Mặt khác, nhóm nghiên cứu kết hợp với nhóm nghiên cứu khác để tiến hành khảo sát đặc trưng truyền thực nghiệm - Tiếp tục phát triển hướng nghiên cứu tương lai, đặc biệt ứng dụng kênh dẫn sóng plasmonic cảm biến quang DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Huong, N.T., N.V Chinh, and C.M Hoang, Wedge surface plasmon polariton waveguides based on wet-bulk micromachining Photonics, 2019 (ISI, Q2) Nguyen, H.T., et al., Tunable hybrid gap surface plasmon polariton waveguides with ultralow loss deep-subwavelength propagation Plasmonics, 2019 14(6): pp 1751-1763 (ISI, Q2) Huong, N.T and C.M Hoang, Modal characteristics and the tunability of horizontal hybrid gap plasmonic waveguide Applied Physics B, 2020 126(2): pp 1-10 (ISI, Q1) Huong, N.T., et al., Tuning SPP propagation length of hybrid plasmonic waveguide by manipulating evanescent field Optics Communications, 2020 462: p.125335 (ISI, Q1) Thành viên Bằng độc quyền Giải pháp hữu ích số 2363: “Kênh dẫn sóng plasmon lai”, Quyết định số 7472w/QĐ-SHTT, ngày 16/06/2020 Chinh, N.V, N.T Huong, and C.M Hoang, Design and simulation of triangular wedge surface plasmon polariton waveguide The 9th Vietnam National Conference of Solid Physics and Materials Science, 2015: pp 314-317 Chinh, N.V., et al., Fabrication of triangular-shaped plasmonic waveguide based on wet bulk micromachining International Conference on Applied & Engineering Physics, 2015: pp 124-127 Nguyen, V.C., T.H Nguyen, and M.H Chu, Wedge mode propagation characteristics of triangular–shaped surface plasmon waveguide VNU Journal of Science: Mathematics – Physics, 2016 32(3): pp 41-48 Chinh, N.V., et al., Characteristics of Trapezoidal-Shaped Plasmonic Waveguide The 3rd International Conference on Advanced Materials and Nanotechnology, 2016: pp 111-114 10 Huong, N.T., et al., Design and simulation of channel surface plasmon polariton waveguide The 3rd International Conference on Advanced Materials and Nanotechnology, 2016 11 Huong, N.T., et al., Surface plasmon polariton modes in V-shaped groove The 3rd International Conference on Advanced Materials and Nanotechnology, 2016 12 Huong, N.T., N.V Chinh, and C.M Hoang, Guiding mode characteristics of hybrid V-grooved surface plasmon waveguide The 9th Vietnam National Conference on Optics & Spectroscopy, 2016: pp 189- 192 13 Chinh, N.V, N.T Huong, and C.M Hoang, A study on direct coupling between photonic and wedge surface plasmon waveguides The 9th National Conference on Optics & Spectroscopy, 2016: pp 224-227 14 Huong, N.T., et al., Wedge plasmonic waveguides for light wave propagation at the nanoscale, Vietnam – Japan Science and Technology Symposium, 2019 TÀI LIỆU THAM KHẢO 10 11 12 13 Maier, S.A., Plasmonics: fundamentals and applications Springer Science & Business Media, 2007 Ritchie, R.H., Plasma losses by fast electrons in thin films Physical Review, 1957 106(5): p 874 O'Connor, D and A.V Zayats, Data storage: the third plasmonic revolution Nature nanotechnology, 2010 5(7): p 482 Zhang, J., L Zhang, and W Xu, Surface plasmon polaritons: physics and applications Journal of Physics D: Applied Physics, 2012 45(11): p 113001 Brongersma, M.L., Introductory lecture: nanoplasmonics Faraday discussions, 2015 178: pp 9-36 Weeber, J.-C., et al., Near-field observation of surface plasmon polariton propagation on thin metal stripes Physical Review B, 2001 64(4): p 045411 Chen, G., et al., Plasmonic-3D photonic crystals microchip for surface enhanced Raman spectroscopy Biosensors and Bioelectronics, 2019 143: p 111596 Chen, J., et al., Substrates for surface-enhanced Raman spectroscopy based on TiN plasmonic antennas and waveguide platforms Results in Physics, 2020 16: p 102867 Gao, P., et al., Plasmonic lithography for the fabrication of surface nanostructures with a feature size down to nm Nanoscale, 2020 12(4): pp 2415-2421 Hu, Y., et al., High-speed parallel plasmonic direct-writing nanolithography using metasurface-based plasmonic lens Engineering, 2020 Gholamian, M., J Shabanpour, and A Cheldavi, Highly sensitive quartermode spoof localized plasmonic resonator for dual-detection RF microfluidic chemical sensor Journal of Physics D: Applied Physics, 2020 53(14): p 145401 Ren, P., et al., Fabrication of long range surface plasmon waveguide biosensors in a low-index fluoropolymer Journal of Vacuum Science & Technology B, Nanotechnology and Microelectronics: Materials, Processing, Measurement, and Phenomena, 2018 36(4): p 042601 Mulder, H.K., et al., Size-selective detection in integrated optical interferometric biosensors Optics Express, 2012 20(19): pp 2093420950 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 Debackere, P., et al., Surface plasmon interferometer in silicon-oninsulator: novel concept for an integrated biosensor Optics Express, 2006 14(16): pp 7063-7072 Brolo, A.G., Plasmonics for future biosensors Nature Photonics, 2012 6(11): p 709 Ding, L., et al., Long range hybrid tube-wedge plasmonic waveguide with extreme light confinement and good fabrication error tolerance Optics Express, 2016 24(4): pp 3432-3440 Fernandez-Cuesta, I., et al., V-groove plasmonic waveguides fabricated by nanoimprint lithography Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena, 2007 25(6): pp 2649-2653 Gao, L., et al., Active metal strip hybrid plasmonic waveguide with low critical material gain Optics Express, 2012 20(10): pp 11487-11495 Guo, X., et al., Nanowire plasmonic waveguides, circuits and devices Laser & Photonics Reviews, 2013 7(6): pp 855-881 Holmgaard, T., J Gosciniak, and S.I Bozhevolnyi, Long-range dielectricloaded surface plasmon-polariton waveguides Optics Express, 2010 18(22): pp 23009-23015 Kharitonov, S., et al., Data transmission in long-range dielectric-loaded surface plasmon polariton waveguides Optics Express, 2014 22(22): pp 26742-26751 Ma, Y., et al., A hybrid wedge-to-wedge plasmonic waveguide with low loss propagation and ultra-deep-nanoscale mode confinement Journal of Lightwave Technology, 2015 33(18): pp 3827-3835 Wei, H and H Xu, Nanowire-based plasmonic waveguides and devices for integrated nanophotonic circuits Nanophotonics, 2012 1(2): pp 155169 Zhang, B., et al., Hybrid dielectric-loaded nanoridge plasmonic waveguide for low-loss light transmission at the subwavelength scale Scientific reports, 2017 7: p 40479 Zia, R., et al., Plasmonics: the next chip-scale technology Materials today, 2006 9(7-8): pp 20-27 Tobing, L.Y., L Tjahjana, and D Hua Zhang, Demonstration of low-loss on-chip integrated plasmonic waveguide based on simple fabrication steps on silicon-on-insulator platform Applied Physics Letters, 2012 101(4): p 041117 Gao, Y., et al., Nanomechanical Plasmonic Switch Based on Multimode Interference IEEE Photonics Technology Letters, 2016 28(23): pp 26612664 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 Gao, Y., et al., Plasmonic Mach–Zehnder interferometer for ultrasensitive on-chip biosensing ACS nano, 2011 5(12): pp 9836-9844 Fang, Y and M Sun, Nanoplasmonic waveguides: towards applications in integrated nanophotonic circuits Light: Science & Applications, 2015 4(6): p e294 Bozhevolnyi, S.I., et al., Channel plasmon subwavelength waveguide components including interferometers and ring resonators Nature, 2006 440(7083): p 508 Boltasseva, A., et al., Integrated optical components utilizing Long-range surface plasmon polaritons Journal of Lightwave Technology, 2005 23(1): p 413 Boales, J.A., F Mateen, and P Mohanty, Micromechanical resonator driven by radiation pressure force Scientific Reports, 2017 7(1): p 16056 Andersen, T., Z Han, and S Bozhevolnyi, Compact on-chip temperature sensors based on dielectric-loaded plasmonic waveguide-ring resonators Sensors, 2011 11(2): pp 1992-2000 Eldlio, M., et al., A THz semiconductor hybrid plasmonic waveguide with fabrication-error tolerance Japanese Journal of Applied Physics, 2016 56(1): p 010306 Gui, C and J Wang, Wedge hybrid plasmonic THz waveguide with long propagation length and ultra-small deep-subwavelength mode area Scientific reports, 2015 5: p 11457 Wedge, S., et al., Coupled surface plasmon-polariton mediated photoluminescencefrom a top-emitting organic light-emitting structure Applied Physics Letters, 2004 85(2): pp 182-184 Ozbay, E., Plasmonics: merging photonics and electronics at nanoscale dimensions science, 2006 311(5758): pp 189-193 Andrew, P and W Barnes, Energy transfer across a metal film mediated by surface plasmon polaritons Science, 2004 306(5698): pp 1002-1005 Tsilipakos, O., E.E Kriezis, and S.I Bozhevolnyi, Thermo-optic microring resonator switching elements made of dielectric-loaded plasmonic waveguides Journal of Applied Physics, 2011 109(7): p 073111 Bian, Y and Q Gong, Low-loss light transport at the subwavelength scale in silicon nano-slot based symmetric hybrid plasmonic waveguiding schemes Optics Express, 2013 21(20): pp 23907-23920 Bian, Y and Q Gong, Deep‐subwavelength light confinement and transport in hybrid dielectric‐loaded metal wedges Laser & Photonics Reviews, 2014 8(4): pp 549-561 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 Bian, Y and Q Gong, Metallic-nanowire-loaded silicon-on-insulator structures: a route to low-loss plasmon waveguiding on the nanoscale Nanoscale, 2015 7(10): pp 4415-4422 Bian, Y., et al., Deep-subwavelength light transmission in hybrid nanowire-loaded silicon nano-rib waveguides Photonics Research, 2018 6(1): pp 37-45 Bian, Y., et al., Nanoscale light guiding in a silicon‐based hybrid plasmonic waveguide that incorporates an inverse metal ridge Physica status solidi (a), 2013 210(7): pp 1424-1428 Bian, Y., et al., Modal properties of triangular metal groove/wedge based hybrid plasmonic structures for laser actions at deep-subwavelength scale Optics Communications, 2013 297: pp 102-108 Kalavrouziotis, D., et al., 0.48 Tb/s (12x40Gb/s) WDM transmission and high-quality thermo-optic switching in dielectric loaded plasmonics Optics Express, 2012 20(7): pp 7655-7662 Sorger, V.J., et al., Experimental demonstration of low-loss optical waveguiding at deep sub-wavelength scales Nature Communications, 2011 2: p 331 Oulton, R.F., et al., Plasmon lasers at deep subwavelength scale Nature, 2009 461(7264): p 629 Gong, S.-H., et al., Self-aligned deterministic coupling of single quantum emitter to nanofocused plasmonic modes Proceedings of the National Academy of Sciences, 2015 112(17): pp 5280-5285 Long, P.D., et al., Plasmonic effect enhanced photocurrent in nanostructured TiO2 films decorated with gold nanoparticles Journal of Electronic Materials, 2017 46(7): pp 4448-4454 Lien, N.T.H., et al., Synthesis and optical properties of colloidal gold nanoparticles for biomedical applications Communications in Physics, 2011 21(1): p 63 Duong, V.T., et al., Near‐Infrared Photothermal Response of Plasmonic Gold‐Coated Nanoparticles in Tissues Physica status solidi (a), 2018 215(5): p 1700564 Nghiem, T.H.L., et al., Synthesis, capping and binding of colloidal gold nanoparticles to proteins Advances in Natural Sciences: nanoscience and nanotechnology, 2010 1(2): p 025009 Ung, T.D.T., T.H Nguyen, and Q.L Nguyen, Large 2D-arrays of sizecontrollable silver nanoparticles prepared by hybrid deposition Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 2016 7(3): p 035013 Nguyen, T.T., T.D.T Ung, and Q.L Nguyen, Square-inch 2D-arrays of Au nanodisks fabricated by sputtering Au onto anodic aluminum oxide 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 templates for SERS applications Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 2016 7(4): p 045017 Nguyen, T.D., T.D Tran, and T.H.N Thi, Laser-induced synthesis of Au– Ag alloy nanoparticles in polyvinylpyrrolidone (C6H9NO) n solution Journal of Cluster Science, 2015 26(5): pp 1787-1799 Nguyen, T.D., Q.D Nguyen, and T.K.T Vu, Surface-enhanced raman scattering from a layer of gold nanoparticles VNU Journal of Science: Mathematics-Physics, 2010 26(4) Nguyen, O.T., et al., Role of gap size and gap density of the plasmonic random gold nanoisland ensemble for surface-enhanced Raman spectroscopy Materials Transactions, 2018 59(7): pp 1081-1086 Nghiem, T.H.L., et al., Preparation and characterization of silica–gold core–shell nanoparticles Journal of nanoparticle research, 2013 15(11): pp 1-9 Luong, T.Q.N., T.A Cao, and T.C Dao, Low-concentration organic molecules detection via surface-enhanced Raman spectroscopy effect using Ag nanoparticles-coated silicon nanowire arrays Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 2013 4(1): p 015018 Luong, N.H., et al., Metallic nanoparticles: synthesis, characterisation and application International journal of nanotechnology, 2011 8(3-5): pp 227-240 Chu, V.H., et al., Photoluminescence enhancement of dye-doped nanoparticles by surface plasmon resonance effects of gold colloidal nanoparticles Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 2011 2(4): p 045010 Nguyen, T., et al., Effects of metallic underlayer on SERS performance of a metal film over nanosphere metasurface Journal of Physics D: Applied Physics, 2021 55(2): p 025101 Le, K.Q., Q.M Ngo, and T.K Nguyen, Nanostructured metal–insulator– metal metamaterials for refractive index biosensing applications: design, fabrication, and characterization IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2016 23(2): pp 388-393 Liu, J., et al., Optical waveguide and cavity effects on whispering-gallery mode resonances in a ZnO nanonail Applied physics letters, 2009 95(22): p 221105 Ngo, Q.M., et al., Optical bistability based on Fano resonances in singleand double-layer nonlinear slab waveguide gratings JOSA B, 2014 31(5): pp 1054-1061 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 Nguyen, B.H., Dispersion and attenuation of surface plasmon polariton at metal–dielectric interface Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 2014 5(3): p 035002 Nguyen, V.H and B.H Nguyen, Basics of quantum plasmonics Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 2015 6(2): p 023001 Nguyen, V.H and B.H Nguyen, Quantum field theory of interacting plasmon–photon system Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 2015 6(2): p 025010 X T Nguyen, V.T.P., V D Ta, Finite-element simulation of hybrid plasmonic subwavelength waveguides The 10th International Conference on Photonics & Applications (ICPA-10), Vietnam, 2018 Van, T.N., et al Dualband-wavelength demultiplexer based on the nanoplasmonic MIM waveguides in 2018 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC) 2018 IEEE Tran, N.H.T., et al., Ultrasensitive biosensors based on waveguidecoupled long-range surface plasmon resonance (WC-LRSPR) for enhanced fluorescence spectroscopy RSC Advances, 2021 11(36): pp 22450-22460 Zayats, A.V and I.I Smolyaninov, Near-field photonics: surface plasmon polaritons and localized surface plasmons Journal of Optics A: Pure and Applied Optics, 2003 5(4): p S16 Steinberger, B., et al., Dielectric stripes on gold as surface plasmon waveguides Applied Physics Letters, 2006 88(9): p 094104 Chen, Z., et al., Wavelength-selective directional coupling with dielectricloaded plasmonic waveguides Optics letters, 2009 34(3): pp 310-312 Lamprecht, B., et al., Surface plasmon propagation in microscale metal stripes Applied physics letters, 2001 79(1): pp 51-53 Boltasseva, A., et al., Triangular metal wedges for subwavelength plasmon-polariton guiding at telecom wavelengths Optics Express, 2008 16(8): pp 5252-5260 Moreno, E., et al., Guiding and focusing of electromagnetic fields with wedge plasmon polaritons Physical review letters, 2008 100(2): p 023901 Dintinger, J and O.J Martin, Channel and wedge plasmon modes of metallic V-grooves with finite metal thickness Optics Express, 2009 17(4): pp 2364-2374 Veronis, G and S Fan, Guided subwavelength plasmonic mode supported by a slot in a thin metal film Optics letters, 2005 30(24): pp 3359-3361 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 Liu, L., Z Han, and S He, Novel surface plasmon waveguide for high integration Optics Express, 2005 13(17): pp 6645-6650 Fang, Y., et al., Branched silver nanowires as controllable plasmon routers Nano letters, 2010 10(5): pp 1950-1954 Solis Jr, D., et al., Turning the corner: Efficient energy transfer in bent plasmonic nanoparticle chain waveguides Nano letters, 2013 13(10): pp 4779-4784 Willingham, B and S Link, Energy transport in metal nanoparticle chains via sub-radiant plasmon modes Optics Express, 2011 19(7): pp 6450-6461 Alù, A., P.A Belov, and N Engheta, Coupling and guided propagation along parallel chains of plasmonic nanoparticles New Journal of Physics, 2011 13(3): p 033026 Zhu, S., G.-Q Lo, and D.-L Kwong, Experimental demonstration of vertical Cu-SiO2-Si hybrid plasmonic waveguide components on an SOI Platform IEEE Photonics Technology Letters, 2012 24(14): pp 12241226 Zhang, Y and Z Zhang, Ultra-subwavelength and low loss in v-shaped hybrid plasmonic waveguide Plasmonics, 2017 12(1): pp 59-63 Sun, X., L Thylén, and L Wosinski MEMS tunable hybrid plasmonic-Si waveguide in Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC), 2017 2017 IEEE Lu, Q., et al., Focusing of electromagnetic fields in high-Q hybrid wedge plasmon polariton microresonator Applied optics, 2012 51(29): pp 6968-6973 Dai, D., et al., Gain enhancement in a hybrid plasmonic nano-waveguide with a low-index or high-index gain medium Optics Express, 2011 19(14): pp 12925-12936 Chen, L., et al., Novel hybrid plasmonic waveguide consisting of two identical dielectric nanowires symmetrically placed on each side of a thin metal film Optics Express, 2012 20(18): pp 20535-20544 Caspers, J.N., J.S Aitchison, and M Mojahedi, Experimental demonstration of an integrated hybrid plasmonic polarization rotator Optics letters, 2013 38(20): pp 4054-4057 He, X., et al., Deep subwavelength graphene-dielectric hybrid plasmonic waveguide for compact photonic integration Results in Physics, 2021 21: p 103834 Luan, J., et al., Design and optimization of a graphene modulator based on hybrid plasmonic waveguide with double low-index slots Plasmonics, 2019 14(1): pp 133-138 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 Vahed, H and S Soltan Ahmadi, Hybrid plasmonic optical modulator based on multi-layer graphene Optical and Quantum Electronics, 2020 52(1): pp 1-11 Zhu, Y., et al., Hybrid plasmonic graphene modulator with buried silicon waveguide Optics Communications, 2020 456: p 124559 Guo, J., et al., High-performance silicon− graphene hybrid plasmonic waveguide photodetectors beyond 1.55 μm Light: Science & Applications, 2020 9(1): pp 1-11 Melikyan, A., et al., High-speed plasmonic phase modulators Nature Photonics, 2014 8(3): pp 229-233 Oulton, R.F., et al., A hybrid plasmonic waveguide for subwavelength confinement and long-range propagation nature photonics, 2008 2(8): pp 496-500 Chu, M.H and M.-T Trinh, Enhancing propagation length of surface plasmon polaritons by using metallic double-layer structure IEEE Photonics Journal, 2019 11(5): pp 1-9 Gui, C and J Wang, Wedge hybrid plasmonic THz waveguide with long propagation length and ultra-small deep-subwavelength mode area Scientific Reports, 2015 5(1): p 11457 Bian, Y., et al., Hybrid wedge plasmon polariton waveguide with good fabrication-error-tolerance for ultra-deep-subwavelength mode confinement Optics Express, 2011 19(23): pp 22417-22422 Zhang, B., et al., Hybrid dielectric-loaded nanoridge plasmonic waveguide for low-loss light transmission at the subwavelength scale Scientific Reports, 2017 7(1): p 40479 Tian, J and M Sun, Modal properties of novel hybrid plasmonic waveguide consisting of two identical dielectric nanotubes symmetrically placed on both sides of a thin metal film The European Physical Journal D, 2016 70(1): pp 1-7 Kumar, S., P Kumar, and R Ranjan, A Metal-cap wedge shape hybrid plasmonic waveguide for nano-scale light confinement and long propagation range Plasmonics, 2022 17(1): pp 95-105 Khodadadi, M., N Nozhat, and S.M.M Moshiri, Theoretical analysis of a circular hybrid plasmonic waveguide to design a hybrid plasmonic nanoantenna Scientific Reports, 2020 10(1): p 15122 Zhang, J., et al., Hybrid plasmonic waveguide with gain medium for lossless propagation with nanoscale confinement Optics letters, 2011 36(12): pp 2312-2314 Chen, Z.-x., et al., Hybrid plasmonic waveguide in a metal V-groove AIP Advances, 2014 4(1): p 017103 109 Zhang, Q., et al., A triangle hybrid plasmonic waveguide with long propagation length for ultradeep subwavelength confinement Crystals, 2022 12(1): p 64 110 Pile, D.F., et al., Theoretical and experimental investigation of strongly localized plasmons on triangular metal wedges for subwavelength waveguiding Applied Physics Letters, 2005 87(6): p 061106 111 Reinhardt, C., et al., Rapid laser prototyping of plasmonic components Applied Physics A, 2007 89(2): pp 321-325 112 Hao, R., et al., Reconfigurable parallel plasmonic transmission lines with nanometer light localization and long propagation distance IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2013 19(3): pp 46018094601809 113 Gosciniak, J., et al., Thermo-optic control of dielectric-loaded plasmonic waveguide components Optics Express, 2010 18(2): pp 1207-1216 114 Pitilakis, A and E.E Kriezis, Longitudinal x switching configurations based on thermo-optically addressed dielectric-loaded plasmonic waveguides Journal of Lightwave Technology, 2011 29(17): pp 26362646 115 Weeber, J.-C., et al., Nanosecond thermo-optical dynamics of polymer loaded plasmonic waveguides Optics Express, 2013 21(22): pp 2729127305 116 Rudé, M., et al., Active control of surface plasmon waveguides with a phase change material ACS photonics, 2015 2(6): pp 669-674 117 Zografopoulos, D.C., et al., Hybrid electro-optic plasmonic modulators based on directional coupler switches Applied Physics A, 2016 122(4): p 344 118 Pacifici, D., H.J Lezec, and H.A Atwater, All-optical modulation by plasmonic excitation of CdSe quantum dots Nature photonics, 2007 1(7): p 402 119 Pala, R.A., et al., A nonvolatile plasmonic switch employing photochromic molecules Nano Letters, 2008 8(5): pp 1506-1510 120 MacDonald, K.F., et al., Ultrafast active plasmonics Nature Photonics, 2009 3(1): p 55 121 Oulton, R.F., et al., A hybrid plasmonic waveguide for subwavelength confinement and long-range propagation Nature Photonics, 2008 2(8): p 496 122 Shi, H., et al., Nanosensor Based on Fano resonance in a metal-insulatormetal waveguide structure coupled with a half-ring Results in Physics, 2021 21: p 103842 123 Ono, M., et al., Ultrafast and energy-efficient all-optical switching with graphene-loaded deep-subwavelength plasmonic waveguides Nature Photonics, 2020 14(1): pp 37-43 124 Du, W., et al., Electrically controllable directional coupler based on tunable hybrid graphene nanoplasmonic waveguide Optics Communications, 2019 430: pp 450-455 125 Kurosu, M., et al., On-chip temporal focusing of elastic waves in a phononic crystal waveguide Nature Communications, 2018 9(1): p 1331 126 Guo, H., et al., Mid-infrared frequency comb via coherent dispersive wave generation in silicon nitride nanophotonic waveguides Nature Photonics, 2018 12(6): pp 330-335 127 Faraji Rad, Z., et al., High-fidelity replication of thermoplastic microneedles with open microfluidic channels Microsystems & Nanoengineering, 2017 3(1): p 17034 128 Tan, X., et al., Non-dispersive infrared multi-gas sensing via nanoantenna integrated narrowband detectors Nature Communications, 2020 11(1): p 5245 129 Zhang, C., et al., On-chip glass microspherical shell whispering gallery mode resonators Scientific Reports, 2017 7(1): p 14965 130 Khoa, N.N., Phương pháp phần tử hữu hạn 2011, Đại học Thái Nguyên 131 Chang, C.-C., et al., SOI-based trapezoidal waveguide with 45° microreflector for noncoplanar optical interconnect Optics letters, 2012 37(5): pp 782-784 132 Ku, B., et al., Bulk-silicon-based waveguides and bends fabricated using silicon wet etching: properties and limits Journal of Lightwave Technology, 2017 35(18): pp 3918-3923 133 Jiang, W., Ultra-compact and fabrication-tolerant mode multiplexer and demultiplexer based on angled silicon waveguides Optics Communications, 2018 425: pp 141-145 134 Sato, K., et al., Anisotropic etching rates of single-crystal silicon for TMAH water solution as a function of crystallographic orientation Sensors and Actuators A: Physical, 1999 73(1-2): pp 131-137 135 Gramotnev, D.K and K.C Vernon, Adiabatic nano-focusing of plasmons by sharp metallic wedges Applied Physics B, 2007 86(1): pp 7-17 136 Wang, M., et al., Plasmofluidics: Merging light and fluids at the micro‐ /nanoscale Small, 2015 11(35): pp 4423-4444 137 Zografopoulos, D.C., et al., Liquid–crystal tunable waveguides for integrated plasmonic components Photonics and NanostructuresFundamentals and Applications, 2013 11(1): pp 73-84 138 Zografopoulos, D.C and R Beccherelli, Plasmonic variable optical attenuator based on liquid-crystal tunable stripe waveguides Plasmonics, 2013 8(2): pp 599-604 139 Yin, S., et al., Liquid-crystal-based tunable plasmonic waveguide filters Journal of Physics D: Applied Physics, 2018 51(23): p 235101 140 Tasolamprou, A., D Zografopoulos, and E Kriezis, Liquid crystal-based dielectric loaded surface plasmon polariton optical switches Journal of Applied Physics, 2011 110(9): p 093102 141 Smalley, J.S., et al., High contrast modulation of plasmonic signals using nanoscale dual-frequency liquid crystals Optics Express, 2011 19(16): pp 15265-15274 142 Marom, E., O Ramer, and S Ruschin, Relation between normal-mode and coupled-mode analyses of parallel waveguides IEEE journal of quantum electronics, 1984 20(12): pp 1311-1319 143 Okamoto, K., Fundamentals of optical waveguides Academic press, 2006 ... vậy, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài: "Nghiên cứu thiết kế, mô khảo sát hoạt động số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm" để nghiên cứu thực Mục đích nghiên cứu 21 - Đạt thiết kế tối ưu kênh dẫn sóng. .. DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THANH HƯƠNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG NÊM Ngành: Khoa học Vật liệu Mã số: ... phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận án kênh dẫn sóng plasmonic giới hạn phạm vi nghiên cứu kênh dẫn sóng dạng nêm kênh dẫn sóng lai Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu luận