Coupled two aluminum nanorod antennas for near-field enhancement

Abstract

Aluminum (Al) plasmonic nanoantennas possess many tunabilities in the ultraviolet (UV) region and have a variety of new applications, such as in sensitive UV photodetection and UV photolithography. Using discrete dipole approximation (DDA), the resonant optical properties and enhanced local field distribution of coupled Al nanorod antennas were investigated. The effects of gap distance on the extinction spectra were analyzed to obtain the surface plasmon modes of these nanostructures across the visible and in the UV spectral range, which can be attributed to the coupling of the surface plasmon modes from each Al nanorod. In addition, the enhanced local field factors plotted as a function of gap distance were simulated under transverse and longitudinal polarizations to achieve maximum near-field enhancement for the optical antennas. When the gap distance was decreased to 5 nm, the maximum value of the enhanced factor was 18.04 at the transverse mode peak of 424 nm. This could be explained by the combination of the interaction between the charges distributed at the opposite ends of two Al nanorods and the interaction between the charges distributed at the lateral sides of each Al nanorod. Results showed that the coupled Al nanorod antennas with enhanced local field show promise for UV plasmonics.

Keywords

aluminum (Al) nanorod / optical antennas / surface plasmon resonance (SPR)

References

[1] Zohrabi M, Mohebbifar M R. Electric field enhancement around gold tip optical antenna. Plasmonics, 2015, 10(4): 887–892 

[2] Chen P, Liu J, Wang L, Jin K, Yin Y, Li Z. Optimization and maximum potential of optical antennae in near-field enhancement. Applied Optics, 2015, 54(18): 5822–5828

[3] Taminiau T H, Moerland R J, Segerink F B, Kuipers L, van Hulst N F. l/4 resonance of an optical monopole antenna probed by single molecule fluorescence. Nano Letters, 2007, 7(1): 28–33

[4] Greffet J J. Nanoantennas for light emission. Science, 2005, 308(5728): 1561–1563

[5] Li S Q, Zhou W, Buchholz D B, Ketterson J B, Ocola L E, Sakoda K, Chang R P H. Ultra-sharp plasmonic resonances from monopole optical nanoantenna phased arrays. Applied Physics Letters, 2014, 104(23): 231101

[6] Klaer P, Razinskas G, Lehr M, Krewer K, Schertz F, Wu X, Hecht B, Schönhense G, Elmers H J. Robustness of plasmonic angular momentum confinement in cross resonant optical antennas. Applied Physics Letters, 2015, 106(26): 261101

[7] Blanchard R, Aoust G, Genevet P, Yu N, Kats M A, Gaburro Z, Capasso F. Modeling nanoscale V-shaped antennas for the design of optical phased arrays. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 2012, 85(15): 155457

[8] Kinkhabwala A, Yu Z, Fan S, Avlasevich Y, Müllen K, Moerner W E. Large single-molecule fluorescence enhancements produced by a bowtie nanoantenna. Nature Photonics, 2009, 3(11): 654–657

[9] Atie E M, Xie Z, Eter A E, Salut R, Nedeljkovic D, Tannous T, Baida F I, Grosjean T. Remote optical sensing on the nanometer scale with a bowtie aperture nano-antenna on a fiber tip of scanning near-field optical microscopy. Applied Physics Letters, 2015, 106(15): 151104 

[10] Zhu W, Rukhlenko I D, Xiao F, Premaratne M. Polarization conversion in U- shaped chiral meta-material with four-fold symmetry breaking. Journal of Applied Physics, 2014, 115(14): 143101

[11] Zhang Z Y, Zhao Y P. Extinction spectra and electrical field enhancement of Ag nanorods with different topologic shapes. Journal of Applied Physics, 2007, 102(11): 113308

[12] Seok T J, Jamshidi A, Kim M, Dhuey S, Lakhani A, Choo H, Schuck P J, Cabrini S, Schwartzberg A M, Bokor J, Yablonovitch E, Wu M C. Radiation engineering of optical antennas for maximum field enhancement. Nano Letters, 2011, 11(7): 2606–2610

[13] Rose A, Hoang T B, McGuire F, Mock J J, Ciracì C, Smith D R, Mikkelsen M H. Control of radiative processes using tunable plasmonic nanopatch antennas. Nano Letters, 2014, 14(8): 4797–4802

[14] Knight M W, King N S, Liu L, Everitt H O, Nordlander P, Halas N J. Aluminum for plasmonics. ACS Nano, 2014, 8(1): 834–840

[15] Sanz J M, Ortiz D, Alcaraz De La Osa R, Saiz J M, González F, Brown A S, Losurdo M, Everitt H O, Moreno F. UV plasmonic behavior of various metal nanoparticles in the near and far-field regimes. Journal of Physical Chemistry C, 2013, 117(38): 19606–19615

[16] Ono A, Kikawada M, Akimoto R, Inami W, Kawata Y. Fluorescence enhancement with deep-ultraviolet surface plasmon excitation. Optics Express, 2013, 21(15): 17447–17453

[17] Ekinci Y, Solak H H, Löffler J F. Plasmon resonances of aluminum nanoparticles and nanorods. Journal of Applied Physics, 2008, 104(8): 083107

[18] Wang J, Walters F, Liu X, Sciortino P, Deng X. High-performance, large area, deep ultraviolet to infrared polarizers based on 40 nm line/78 nm space nanowire grids. Applied Physics Letters, 2007, 90(6): 061104

[19] Burgos S P, de Waele R, Polman A, Atwater H A. A single-layer wide-angle negative-index metamaterial at visible frequencies. Nature Materials, 2010, 9(5): 407–412

[20] Zhu J, Li J, Zhao J. Tuning the plasmon band number of aluminum nanorod within the ultraviolet-visible region by gold coating. Physics of Plasmas, 2014, 21(11): 112108

[21] McMahon J M, Schatza G C, Gray S K. Plasmonics in the ultraviolet with the poor metals Al, Ga, In, Sn, Tl, Pb, and Bi. Physical Chemistry Chemical Physics, 2013, 17(29): 5415–5423 

[22] Lassiter J B, Aizpurua J, Hernandez L I, Brandl D W, Romero I, Lal S, Hafner J H, Nordlander P, Halas N J. Close encounters between two nanoshells. Nano Letters, 2008, 8(4): 1212–1218

[23] Jain P K, El-Sayed M A. Noble metal nanoparticle pairs: effect of medium for enhanced nanosensing. Nano Letters, 2008, 8(12): 4347–4352

[24] Prodan E, Radloff C, Halas N J, Nordlander P. A hybridization model for the plasmon response of complex nanostructures. Science, 2003, 302(5644): 419–422

[25] Hermoso W, Alves T V, Ornellas F R, Camargo P H C. Comparative study on the far-field spectra and near-field amplitudes for silver and gold nanocubes irradiated at 514, 633 and 785 nm as a function of the edge length. European Physical Journal D, 2012, 66(5): 135

[26] Shi H, Wang C, Zhou Y, Jin K, Yang G. Silver nanoparticles grown in organic solvent PGMEA by pulsed laser ablation and their nonlinear optical properties. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2012, 12(10): 7896–7902 

[27] Noguez C. Surface plasmons on metal nanoparticles: the influence of shape and physical environment. Journal of Physical Chemistry C, 2007, 111(10): 3806–3819

[28] González A L, Noguez C, Ortiz G P, Rodríguez-Gattorno G. Optical absorbance of colloidal suspensions of silver polyhedral nanoparticles. Journal of Physical Chemistry B, 2005, 109(37): 17512–17517

[29] Deng Y, Liu G, Zhang L, Ming H. Far- and near-field optical properties of Al nanorod by discrete dipole approximation. Journal of Modern Optics, 2015, 62(15): 1199–1203

Acknowledgements

This work was supported by the National Basic Research Program of China (No. 2013CBA01703), the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 21271007), the Foundation for Young Talents in College of Anhui Province (No. 2013SQRL044ZD), the Colleges and Universities Natural Science Foundation of Anhui Province (No. KJ2016JD18).

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg