Tính hấp thụ ánh sáng của các Plasmonic Nano Anten có cấu trúc hình học khác nhau

TAÏP CHÍ KHOA HOÏC ÑAÏI HOÏC SAØI GOØN Soá 8(33) - Thaùng 10/2015 
57 
Tính hấp thụ ánh sáng của các Plasmonic Nano Anten 
có cấu trúc hình học khác nhau 
Optical absorption characteristics of plasmonic nano anten with different 
geometries 
1 
CN. Nguyễn Thị Thanh Kiều, 2 ThS. Hứa Thị Hoàng Yến, 3 ThS. Huỳnh Văn Tuấn, 
123 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQG TP.HCM 
4 
TS. Nguyễn Trương Khang 
4 Trường Đại học Tôn Đức Thắng 
1 
B.A. Nguyen Thi Thanh Kieu, 
2 
M.Sc. Hua Thi Hoang Yen, 
3 
M.Sc. Huynh Van Tuan, 
123 
The University of Science – National University Ho Chi Minh City 
4 
Ph.D. Nguyen Truong Khang 
4 
Ton Duc Thang University 
Tóm tắt 
Trong bài báo này, chúng tôi trình bày tính chất cộng hưởng ánh sáng của các lưỡng cực plasmonic 
nano anten với các dạng hình học khác nhau, đó là cấu trúc hình chữ nhật (rectangular), hình vuông 
(square), và hình tròn (circular). Phổ hấp thụ và phản xạ của từng cấu trúc nano anten được khảo sát và 
tối ưu hóa tại tần số 375THz, tương ứng với bước sóng 800nm của nguồn kích thích. Kết quả mô phỏng 
cho thấy, cấu trúc hình tròn cho độ tập trung và giam hãm điện trường tại vùng kích thích cao nhất, 
đồng thời cho hệ số phản xạ và phát xạ trường xa tốt nhất, trong sự so sánh giữa các cấu trúc. Nghiên 
cứu này hữu ích cho các nhà thiết kế trong việc lựa chọn các cấu trúc lưỡng cực plasmonic nano anten 
thích hợp khi muốn kết hợp với anten quang dẫn nhằm tăng hiệu suất trong hệ thu/phát sóng Terahertz. 
Từ khóa: hiện tượng cộng hưởng plamon bề mặt, nano anten, sự hấp thụ, sự phản xạ, phát xạ trường 
xa 
Abstract 
In this paper, we investigate the optical absorption characteristics of plasmonic dipole nano antenna 
with different geometries; they are rectangular dipole, square dipole, and circular dipole. Absorption 
and reflection profile of each nano antenna are characterized and optimized at the resonance frequency 
of 375 THz, which corresponding to the wavelength of the incident light at 800 nm. Numerical results 
show that the circular nano antenna produces the most enhanced electric field at the excitation gap in 
addition with the best reflection and far-field radiation characteristics. 
This research is useful for the researcher and designer in chossing appropriate plasmonic dipole nano 
antennas when incorporating with a photoconductive antenna for terahertz radiation enhancement. 
Keywords: surface plasmon resonance, nano-antenna, absorption, reflection, far-field radiation 
58 
1. Mở đầu 
Hiệu ứng giam cầm lượng tử trong các 
vật liệu kích thước nanomet khiến cho vật 
liệu có các tính chất đặc biệt như hiệu ứng 
bề mặt, hiệu ứng kích thước, hiệu ứng cộng 
hưởng plasmon Khi các điện tử tự do 
trong cấu trúc nano (nanostructure) hấp thụ 
ánh sáng chiếu vào dẫn đến hiện tượng 
được gọi là hiện tượng cộng hưởng 
plasmon bề mặt định xứ (LSPR- Localized 
surface plasmon resonance) [1], [2], [3], 
[4]. Dưới tác dụng của điện từ trường bên 
ngoài như ánh sáng sẽ dẫn đến sự dao động 
tập thể của các điện tử tự do, và theo đó 
dẫn đến sự phân cực của các hạt nano 
thành một lưỡng cực điện. Tần số cộng 
hưởng của lưỡng cực này phụ thuộc vào 
nhiều yếu tố như hình dáng và độ lớn của 
cấu trúc nano, lớp vật liệu đế, hay độ phân 
cực của ánh sáng kích thích. 
Au
SiO2
Au Au
Side View
Tgold
g
T
x
z
y 
g
LR
WR
Top View
SiO2x
y
z
(a) (b) 
g
LS
WS
Top View
SiO2x
y
z
g
Top View
SiO2
LC
DC
x
y
z 
(c) (d) 
Hình 1. (a) Sơ đồ mặt cắt của các plasmonic nano anten; Plasmonic nano anten: (b) 
hình chữ nhật (Rectangular); (c) hình vuông (Square); (d) hình tròn (Circular). 
Plasmonic nano anten là một loại 
anten có kích thước nanomet, do đó nó thể 
hiện được các đặc tính đặc biệt của một cấu 
trúc nano. Một số nghiên cứu mới đây đã 
công bố các ứng dụng của plasmonic nano 
anten như các bộ thu quang (photodetectors) 
[5], diode phát quang [6], [7], các tấm pin 
năng lượng mặt trời [8], SERS (Surface 
Raman Scattering) [9], cảm biến sinh học 
(biosensing) [10], hoặc sử dụng plasmonic 
nano anten trong anten quang dẫn để tăng 
cường công suất bức xạ Terahertz (THz) 
59 
[11], [12], [13]. Nhờ hiện tượng cộng 
hưởng plasmon bề mặc định xứ (LSPR), 
mỗi cấu trúc hình học của nano anten có sự 
hấp thụ ánh sáng khác nhau. Để có được sự 
hấp thụ ánh sáng tới tốt nhất đòi hỏi phải 
lựa chọn một cấu trúc nano anten có kích 
thước phù hợp. Hơn nữa, hiệu suất hoạt 
động của anten sẽ là tốt nhất khi tần số 
cộng hưởng của chúng gần với tần số 
nguồn kích thích. Cấu trúc truyền thống 
như hình chữ nhật được quan tâm rất nhiều 
[14]. Tuy nhiên, khi nghiên cứu và kiểm tra 
thực nghiệm về các nano anten này các nhà 
nghiên cứu chỉ quan tâm đến những kích 
thước có thể chế tạo được mà thiếu bước 
khảo sát kích thước nào tốt hơn để đưa vào 
thực tế. Trong bài báo này, chúng tôi sẽ 
thực hiện bước thiếu đó và tập trung 
nghiên cứu, khảo sát đặc tính hấp thụ của 
các plasmonic nano anten có các cấu trúc 
hình học khác nhau, đó là cấu trúc hình chữ 
nhật, hình vuông và hình tròn. Tất cả các 
cấu trúc được kích thích bằng ánh sáng tới 
có bước sóng 800nm (ứng với tần số 
375THz), là bước sóng chuẩn của chùm 
ánh sáng được sử dụng trong SERS 
(Surface Enhanced Raman Scattering). Kết 
quả mô phỏng bằng cách sử dụng phần 
mềm mô phỏng CST MWS [15] cho thấy 
cấu trúc hình tròn cho khả năng giam hãm 
điện trường tới, đồng thời cho đồ thị phát 
xạ trường xa tốt nhất so với các cấu trúc 
còn lại. 
2. Các cấu trúc hình học của 
plasmonic nano anten 
SiO2
Au
Vacuum
Plane 
wave
Nanoantenna
(Au)
e
h
Probe
Vacuum
x
y
z
SiO2
Au
Vacuum
Waveguide 
Port 1
Nanoantenna
(Au)
1
2
Waveguide 
Port 2
Vacuum
x
y
z
PC
(a) (b) 
Hình 2. Mô hình mô phỏng dùng để; a) quan sát điện trường giam hãm tại vùng kích thích; 
b) tính hệ số phản xạ của một mảng vô hạn hai chiều. 
Hình 1 biểu diễn mặt cắt ngang (side 
view) và cấu trúc hình học của ba cấu trúc 
nano anten nhìn từ phía trên (top view) 
gồm có: cấu trúc hình chữ nhật 
(rectangular), cấu trúc hình vuông (square), 
và cấu trúc hình tròn (circular). Hình 1a 
biểu diễn mặt cắt ngang của cấu trúc nano 
anten, cả ba cấu trúc nano anten được chế 
tạo từ vàng (Au) có bề dày là Tgold, các cấu 
trúc được ngăn cách với lớp đế vàng (Au) 
bởi một lớp bán dẫn loại SiO2 có bề dày 
được ký hiệu chung là T, khoảng cách 
 60 
vùng kích thích (gap) nằm ở giữa hai điện 
cực của cả ba cấu trúc được ký hiệu là g. 
Hình 1b, 1c, và 1d biểu diễn cấu trúc hình 
học của nano anten hình chữ nhật, hình 
vuông, và hình tròn tương ứng, trong đó 
chiều rộng và tổng chiều dài của cấu trúc 
nano anten hình chữ nhật được ký hiệu là 
WR và LR. Chiều rộng và tổng chiều dài của 
cấu trúc nano anten hình vuông được ký 
hiệu là WS và LS. Đường kính và tổng chiều 
dài của cấu trúc nano anten hình tròn được 
ký hiệu là DC và LC. Bề dày lớp SiO2 của 
cấu trúc hình chữ nhật, hình vuông, và hình 
tròn lần lượt được ký hiệu là TR, TS, và TC. 
Trong một mảng vô hạn, các nano anten 
của cả ba cấu trúc cách nhau một khoảng 
được ký hiệu là PR, PS, và PC tương ứng 
với cấu trúc hình chữ nhật, hình vuông, và 
hình tròn. Các thông số thiết kế của cả ba 
cấu trúc nano anten sau khi tối ưu hóa tại 
vùng tần số 375THz như sau: cấu trúc hình 
chữ nhật (WR = 35nm, LR = 174nm, TR = 
100nm, và PR = 550nm); cấu trúc hình 
vuông (WS = 78nm, LS =166nm, TS = 
40nm, và PS = 600nm); cấu trúc hình tròn 
(DC = 94nm, LC = 198nm, TC = 60nm, và 
PC = 590nm); trong đó g = 10nm và Tgold = 
25nm chung cho cả ba cấu trúc. 
3. Mô phỏng bằng phần mềm CST MWS 
200 250 300 350 400 450 500
-120
-90
-60
-30
0
30
 '
 ''
Frequency (THz)
'
-60
-48
-36
-24
-12
0
12
''
200 250 300 350 400 450 500
2.0
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
 '
 ''
Frequency (THz)
'
0.0
1.0x10
-6
2.0x10
-6
3.0x10
-6
4.0x10
-6
5.0x10
-6
''
(a) (b) 
Hình 3. Đồ thị điện tử tán xạ (electric dispersion curves) của (a) vàng (Au) và (b) SiO2 
trong dải tần số từ 200 THz đến 500THz. 
Trong bài báo này, phần mềm CST 
MWS (CST Microwave Studio) [15] 
được sử dụng để mô phỏng các đặc tính 
của các cấu trúc nano anten. Hình 2a 
biểu diễn mô hình tính toán đặc tính 
hấp thụ năng lượng của nano anten, 
trong đó nguồn kích thích được sử dụng 
là sóng ánh sáng phẳng (plane wave) 
chiếu từ trên xuống, cường độ điện 
trường của ánh sáng kích thích này 
được đặt ban đầu là 1V/m và được phân 
cực dọc theo trục chính (trục x) của các 
nano anten. Một đầu dò (probe) được 
đặt tại giữa hai điện cực của nano anten 
(vùng kích thích) để thu năng lượng và 
thể hiện tính chất giam hãm điện trường 
tăng cường của cấu trúc. Mô hình này 
cũng cho phép ta quan sát đồ thị phát xạ 
trường xa của nano anten. Đặc tính 
phản xạ của nano anten với cấu trúc 
61 
mảng hai chiều vô hạn được mô phỏng 
bằng cách sử dụng mô hình ống dẫn 
sóng hai cổng như mô tả trong hình 2b. 
Trong mô hình này, hai điều kiện biên 
điện trường và từ trường lần lượt được 
áp vào dọc theo hướng ±x và ±y nhằm 
mô phỏng sự truyền sóng theo hướng 
chuẩn vuông góc trong mô hình ống 
dẫn sóng này. Hình 3 biểu diễn đồ thị 
điện tử tán xạ (electric dispersion 
curves) của vật liệu vàng (Au) và SiO2 
tại vùng tần số khảo sát từ 200THz đến 
500THz. Mô hình tán xạ của vật liệu 
vàng và SiO2 này được xác định trong 
thư viện vật liệu của CST MWS và 
được so khớp với các giá trị thực 
nghiệm đã được công bố bởi các nhóm 
nghiên cứu khác. 
4. Kết quả và thảo luận 
250 300 350 400
0
30
60
90
120
E
-f
ie
ld
 (
V
/m
)
Frequency (THz)
 Rectangular
 Reference [14]
250 300 350 400
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
R
e
fl
e
c
ti
o
n
 c
o
e
ff
ic
ie
n
t
Frequency (THz)
 Rectangular
 Reference [14]
(a) (b) 
(c) 
Hình 4. (a)-(b) Kết quả mô phỏng về phổ 
năng lượng hấp thụ và kết quả mô phỏng phổ 
phản xạ của cấu trúc hình chữ nhật tham 
chiếu [14] và cấu trúc hình chữ nhật có các 
thông số thay đổi để tối ưu hóa hiệu suất hấp 
thụ tại 375 THz; c) kết quả thực nghiệm về 
phổ phản xạ của mảng nano anten hình chữ 
nhật khi thay đổi TSiO2 trong [14]. 
 62 
7 8 9 10 11 12
350
360
370
380
390
400
 F
peak
 E
peak
g (nm)
F
p
e
a
k
 (
T
H
z
)
100
130
160
190
E
p
ea
k (V
/m
)
20 40 60 80 100
350
360
370
380
390
400
 F
peak
E
peak
T
C
 (nm)
F
p
ea
k
 (
T
H
z)
100
110
120
130
E
p
ea
k (V
/m
)
(a) (b) 
182 190 198 206 214
350
360
370
380
390
400
 F
peak
 E
peak
L
C
 (nm)
F
p
e
a
k
100
110
120
130
E
p
ea
k
550 570 590 610 630
350
360
370
380
390
400
 F
peak
 E
peak
P
C
 (nm)
F
p
e
a
k
 (
T
H
z
)
100
110
120
130
E
p
e
a
k (V
/m
)
 (c) (d) 
Hình 5. Khảo sát tần số cộng hưởng Fpeak và điện trường giam hãm tại vùng kích thích 
Epeak tương ứng khi thay đổi các thông số thiết kế của nano anten hình tròn; (a) kích thước 
vùng kích thích g, (b) độ dày TC của lớp bán dẫn SiO2, (c) tổng chiều dài LC, (d) khoảng 
cách PC giữa các nano anten đơn vị trong mảng vô hạn. 
Đối với cấu trúc hình chữ nhật, đã có 
nhiều nhóm nghiên cứu về cấu trúc này, 
điển hình như nhóm nghiên cứu của T. J. 
Seok cùng cộng sự đã chứng minh thực 
nghiệm [14]. Trong cấu trúc tham chiếu 
này, chiều rộng và tổng chiều dài của nano 
anten là 45nm và 260nm, bề dày lớp kim 
loại vàng của cấu trúc là 25nm, kích thước 
vùng kích thích (gap) là 15nm, bề dày lớp 
bán dẫn SiO2 là 60nm, và khoảng cách 
giữa các nano anten trong mảng vô hạn là 
600nm. Dưới sự kích thích của ánh sáng 
tới có bước sóng 800nm, cấu trúc này thu 
được đỉnh phổ năng lượng 85,6V/m tại tần 
số cộng hưởng khoảng 320THz, cách khá 
xa tần số cộng hưởng của ánh sáng kích 
thích (375THz). Vì vậy, từ cấu trúc trên 
chúng tôi tìm cách đưa đỉnh phổ năng 
lượng về tần số 375THz bằng cách thay đổi 
các thông số của cấu trúc. Kết quả chúng 
63 
320 340 360 380 400 420
0
40
80
120
160
E
-f
ie
ld
 (
V
/m
)
Frequency (THz)
 Rectangular
 Square
 Circular
320 340 360 380 400 420
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
R
e
fl
e
c
ti
o
n
 c
o
e
ff
ic
ie
n
t
Frequency (THz)
 Rectangular
 Square
 Circular
(a) (b) 
Hình 6. a) Điện trường giam hãm tại vùng kích thích theo hàm tần số và (b) hệ số phản xạ 
theo hàm tần số của ba cấu trúc: hình chữ nhật (Rectangular), hình vuông (Square) và hình 
tròn (Circular). 
tôi thu được đỉnh phổ năng lượng cao nhất 
khoảng 110,3V/m tại tần số cộng hưởng 
374,9THz được biểu diễn ở hình 4a, trong 
đó các thông số hình học của cấu trúc thay 
đổi tương ứng gồm chiều rộng (WR) và 
tổng chiều dài (LR) của nano anten là 35nm 
và 174 nm tương ứng, bề dày lớp kim loại 
(Tgold) của cấu trúc là 25nm, kích thước 
vùng kích thích (g) là 10nm, bề dày lớp 
bán dẫn SiO2 là 100nm, và khoảng cách 
giữa các nano anten trong mảng vô hạn là 
550nm. Như vậy, sau khi thay đổi các 
thông số chúng tôi thu được đỉnh phổ năng 
lượng cao hơn đỉnh phổ năng lượng của 
cấu trúc hình chữ nhật do T. J. Seok cùng 
cộng sự thực hiện [14], trong đó tần số 
cộng hưởng thu được tương ứng 374,9THz 
gần với tần số của nguồn kích thích 
(375THz). Hình 4b chứng tỏ hệ số phản xạ 
của cấu trúc trong [14] nhỏ hơn hệ số phản 
xạ của cấu trúc hình chữ nhật đã được tối 
ưu, tuy nhiên tần số cộng hưởng tương ứng 
lại cách xa so với tần số của ánh sáng kích 
thích. Hình 4c là kết quả thực nghiệm do T. 
J. Seok cùng cộng sự thực hiện, so với kết 
quả mô phỏng tần số cộng hưởng trong 
thực nghiệm khoảng xấp xỉ 345THz (tức 
là λ=870nm, trường hợp 60nm SiO2), trong 
đó độ phản xạ (khoảng 0,45) lớn hơn nhiều 
so với mô phỏng (khoảng 0,02). Điều này 
có thể được giải thích do các điều kiện sử 
dụng trong mô phỏng là lý tưởng, còn 
trong thực nghiệm có thể do nhiều yếu tố 
ảnh hưởng như vật liệu chế tạo, hệ đo, điều 
kiện môi trường xung quanh, khiến cho 
độ phản xạ thực nghiệm không tốt bằng độ 
phản xạ mô phỏng. Kết quả ban đầu này 
cho chúng tôi rút ra hai điều. Một là, khẳng 
định tính đúng đắn của mô hình mô phỏng 
qua sự so sánh tần số đỉnh phổ hấp thụ 
trong mô phỏng, và tần số cộng hưởng 
trong thực nghiệm được trình bày trong 
hình 4c. Hai là, bằng cách khảo sát và tối 
ưu hóa dạng hình học của nano anten, ta có 
thể tăng hiệu suất hấp thụ tại tần số cộng 
hưởng mong muốn. Trong ba cấu trúc nano 
anten được khảo sát, chúng tôi chọn cấu 
trúc hình tròn để trình bày hồi đáp của 
 64 
anten theo tần số khi thay đổi các thông số 
thiết kế, hai cấu trúc còn lại khảo sát tương 
tự. Chúng tôi tiến hành khảo sát cấu trúc 
hình tròn bằng cách thay đổi các thông số 
như g, TC, LC, và PC để được cấu trúc tốt 
nhất. Hình 5a cho thấy, thông số khoảng 
cách vùng kích thích g ảnh hưởng rất nhiều 
đến điện trường giam hãm tại tần số cộng 
hưởng Epeak. Khi khoảng cách vùng kích 
thích này càng bị thu hẹp, tần số cộng 
hưởng Fpeak càng giảm, nhưng điện trường 
giam hãm tại vùng kích thích Epeak tăng lên 
đáng kể. Điều này cho thấy, ta có thể tăng 
độ giam hãm điện trường lên đáng kể nếu 
có thể thu hẹp khoảng cách vùng kích thích 
này, ví dụ như Epeak có thể đạt đến gần 
400V/m khi g giảm xuống đến 7nm. Trong 
cấu trúc tối ưu hóa, chúng tôi chọn g = 
10nm vì hai lý do sau: thứ nhất, khoảng 
cách g = 10nm cho Epeak tối đa tại tần số 
cộng hưởng gần với tần số sóng tới 
(375THz) nhất. Thứ hai, nếu g quá nhỏ sẽ 
gây khó khăn nhiều trong quá trình chế tạo, 
chẳng hạn như gây ra hiện tượng ngắn 
mạch giữa 2 điện cực và như thế giảm hiệu 
suất tổng của cả mảng. Hình 5b cho thấy 
khi độ dày TC của lớp bán dẫn SiO2 thay 
đổi, cả Fpeak và Epeak đều thay đổi đáng kể, 
và thể hiện tính cộng hưởng. Cụ thể, khi TC 
tăng từ 20nm đến 100nm với bước tăng là 
20nm, Fpeak tăng nhưng sau đó giảm, và 
tương tự Epeak tăng nhưng sau đó cũng 
giảm. Tại giá trị TC = 60nm, ta quan sát 
thấy Fpeak gần với tần số mong muốn 
375THz nhất, và tại đó Epeak cũng cho giá 
trị cực đại. Tính chất này khá là thú vị, đã 
được kiểm chứng trong [14], và được nói 
rằng, khoảng cách từ nano anten đến bề 
mặt phản xạ (lớp đế Au) phải được chọn 
thỏa mãn điều kiện cộng hưởng khi ta xem 
lớp vật liệu bán dẫn SiO2 như một hốc 
cộng hưởng Fabry- Perot. Theo đó, tùy vào 
chiết suất của vật liệu bán dẫn, ta sẽ có 
những độ dày khác nhau. Hình 5c cho thấy 
khi LC tăng thì Fpeak giảm, điều này phù 
hợp với lý thuyết rằng, chiều dài anten tỷ lệ 
nghịch với tần số hoạt động của nó. Ta có 
thể tính được bước sóng hiệu dụng theo 
công thức: 
(1) trong đó, c là vận tốc ánh sáng 
3×10
8
m/s, fo là tần số cộng hưởng 
(~375THz), và εeff là điện môi hiệu dụng 
của SiO2 (~2.4). Theo đó, bước sóng hiệu 
dụng sẽ vào khoảng 500nm. Theo lý 
thuyết, anten có chiều dài vào khoảng ½ 
bước sóng hiệu dụng này (L~ 
~250nm) sẽ cho mode cộng hưởng 
đầu tiên. Kết quả sau khi tối ưu hóa đã cho 
ra LC ~ 200nm, như vậy là ngắn hơn chiều 
dài tính toán lý thuyết. Điều này có thể lý 
giải rằng, do trong cấu trúc khảo sát có sử 
x
y
z
V/m
20
0
17.6
15.2
12.7
10.3
7.88
5.45
3.03
x
y
z
V/m
20
0
17.6
15.2
12.7
10.3
7.88
5.45
3.03
x
y
z
V/m
20
0
17.6
15.2
12.7
10.3
7.88
5.45
3.03
 (a) (b) (c) 
Hình 7. Phân bố điện trường tại tần số cộng hưởng của các cấu trúc nano anten; 
a) cấu trúc hình chữ nhật; b) cấu trúc hình vuông; c) cấu trúc hình tròn. 
65 
x
y
z
dBm2
-118
-127
-133
-139
-145
-152
-158
x
y
z
dBm2
-118
-127
-133
-139
-145
-152
-158
 x
y
z
dBm2
-118
-127
-133
-139
-145
-152
-158
(a) (b) (c) 
Hình 8. Phổ phát xạ trường xa tại tần số cộng hưởng của các cấu trúc nano anten; 
a) cấu trúc hình chữ nhật; b) cấu trúc hình vuông; c) cấu trúc hình tròn. 
dụng mặt phẳng đế (Au), theo đó chiết suất 
hiệu dụng của cả cấu trúc tăng lên, làm cho 
bước sóng hiệu dụng bị thu ngắn lại. Nhờ 
mặt phẳng đế này, và nhờ hiện tượng tăng 
chiết suất hiệu dụng này, trường điện từ bắt 
cặp từ nano anten vào lớp SiO2 tăng lên 
đáng kể, và theo đó tăng tính hấp thụ ánh 
sáng tới. Bên cạnh đó, cấu trúc hình học 
dạng hình tròn cũng phần nào thu ngắn 
chiều dài của lưỡng cực điện. Xét về độ 
giam hãm điện trường, ta thấy chiều dài 
của nano anten ảnh hưởng không đáng kể 
khi Epeak chỉ thay đổi ít xung quanh giá trị 
125V/m. Cuối cùng, hình 5d cho thấy khi 
chiều rộng PC của lớp bán dẫn SiO2 (cũng 
là chiều rộng của mặt phẳng phản xạ) tăng, 
tần số cộng hưởng Fpeak giảm, tuy nhiên 
điện trường giam hãm tại vùng kích thích 
Epeak tăng. Việc tăng chiều rộng của lớp 
bán dẫn sẽ dẫn đến sự tăng chiết suất hiệu 
dụng của cả cấu trúc. Theo đó, tần số cộng 
hưởng sẽ giảm, và độ giam hãm tập trung 
điện trường sẽ tăng do sóng tới được hấp 
thụ vào lớp bán dẫn này nhiều hơn. Do tần 
số cộng hưởng mong muốn xung quanh 
vùng 375THz, giá trị PC cho cấu trúc sau 
cùng được chọn vào khoảng 590nm. Qua 
việc khảo sát các thông số thiết kế của cấu 
trúc hình tròn, ta có thể rút ra kết luận rằng, 
diện tích vùng kích thích hay khoảng cách 
giữa hai điện cực ảnh hưởng đáng kể đến 
cường độ điện trường giam hãm, trong khi 
chiều dài của lưỡng cực quyết định tần số 
cộng hưởng của nano anten. Quan trọng 
hơn, độ dày của lớp bán dẫn phải được 
chọn thích hợp nhằm tối ưu hóa điện 
trường tăng cường nhờ vào cơ chế hoạt 
động như một hốc cộng hưởng Fabry-
Perot. Các tính chất này được cho rằng sẽ 
thể hiện một cách tương tự đối với cấu trúc 
nano anten hình vuông cũng như nano 
anten hình chữ nhật. Theo đó, sau khi tối 
ưu hóa từng cầu trúc, chúng tôi thu được 
kết quả như sau: cấu trúc nano anten hình 
chữ nhật cho cho đỉnh phổ điện trường 
giam hãm có giá trị 110,3V/m tại tần số 
cộng hưởng là 374,9THz; cấu trúc nano 
anten hình vuông cho cho đỉnh phổ điện 
trường giam hãm có giá trị 92,2V/m tại tần 
số cộng hưởng là 372,8THz; cấu trúc nano 
anten hình tròn cho cho đỉnh phổ điện 
trường giam hãm có giá trị 125V/m tại tần 
số cộng hưởng là 374,3THz, xem thêm ở 
bảng 1. Hình 6 biểu diễn hồi đáp theo hàm 
tần số của điện trường giam hãm tại vùng 
kích thích và của hệ số phản xạ trong sự so 
sánh giữa ba cấu trúc đang khảo sát. Kết 
quả cho thấy, tần số cộng hưởng của điện 
trường giam hãm, hình 6a, gần như trùng 
với tần số cho hệ số phản xạ cực tiểu, hình 
 66 
6b. Kết quả này cho thấy rằng, các cấu trúc 
khảo sát hoạt động tốt ở tần số mong muốn 
là 375THz, và theo đó sẽ hấp thụ ánh sáng 
tối đa tại tần số này. Đánh giá tổng quát 
rằng, cấu trúc hình tròn cho cường độ điện 
trường giam hãm tập trung tại vùng kích 
thích cao nhất, đồng thời cấu trúc hình tròn 
cũng cho hệ số phản xạ tốt nhất, gần như 
không có phản xạ, so với hai cấu trúc còn 
lại. Điều này phần nào giải thích sự ưa 
chuộng khi sử dụng các chấm lượng tử 
quang học trong việc tăng cường tính hấp 
thụ ánh sáng tới trong các thiết kế gần đây. 
Hình 7 và 8 lần lượt mô tả phân bố điện 
trường quan sát tại trường gần (near-field) 
và đồ thị phát xạ trường xa (far-field) của 
ba cấu trúc nano anten đang khảo sát. Ta 
thấy, điện trường phân bố tập trung tại 
vùng kích thích và hai đầu cuối của nano 
anten như thường thấy trong các lưỡng cực 
điện ở tần số thấp. Đồ thị phát xạ trường xa 
của cấu trúc hình tròn được đánh giá là tốt 
nhất so với hai cấu trúc hình chữ nhật và 
hình vuông. Quan sát ta thấy, phát xạ 
ngược (back-radiation) trong đồ thị phát xạ 
trường xa của cấu trúc hình tròn là thấp 
nhất. Kết hợp với các kết quả khác (xem 
bảng 1), ta rút ra kết luận cấu trúc lưỡng 
cực nano anten hình tròn cho hiệu suất hấp 
thụ ánh sáng tốt nhất so với cấu trúc lưỡng 
cực nano anten hình chữ nhật và cấu trúc 
lưỡng cực nano anten hình vuông. 
Bảng 1: So sánh các thông số đầu ra của các cấu trúc lưỡng cực nano anten. 
Cấu trúc 
Tần số cộng hưởng 
Fpeak (THz) 
Điện trường tăng 
cường 
Epeak (V/m) 
Hệ số phản 
xạ (%) 
Đồ thị 
phát xạ 
Hình chữ nhật 374,9 110,3 0,188 Tốt hơn 
Hình vuông 372,8 92,2 0,283 Tốt 
Hình tròn 374,3 125,0 0,056 Tốt nhất 
5. Kết luận 
Trong bài báo này, chúng tôi khảo sát 
ba cấu trúc lưỡng cực nano anten hình chữ 
nhật, hình vuông, và hình tròn, và đánh giá 
tính chất của chúng qua tính giam hãm 
điện trường, hệ số phản xạ, phân bố trường 
gần, và phát xạ trường xa. Quá trình tối ưu 
hóa cho thấy khoảng cách giữa hai đơn cực 
điện, hay gọi là diện tích vùng kích thích, 
ảnh hưởng nhiều đến tính giam hãm điện 
trường tăng cường của nano anten, trong 
khi chiều dài lưỡng cực quyết định tần số 
cộng hưởng của nano anten. Bên cạnh đó, 
lớp bán dẫn kết hợp với mặt phẳng phản xạ 
đã hoạt động như một hốc cộng hưởng 
Fabry-Perot và theo đó, bề dày của lớp vật 
liệu này phải được chọn một cách thích 
hợp thỏa điều kiện cộng hưởng. Đánh giá 
tổng quát, cấu trúc nano anten hình tròn nổi 
trội về tất cả các tính chất so với hai cấu 
trúc còn lại. Cụ thể, cấu trúc nano anten 
hình tròn cho điện trường giam hãm tăng 
cường tại vùng kích thích cao nhất, cho hệ 
số phản xạ thấp nhất, và đồng thời cũng 
cho đồ thị phát xạ trường xa tốt nhất. 
Nghiên cứu này cung cấp cho các nhà 
nghiên cứu lý thuyết cũng như thực 
nghiệm các thông tin hữu ích về quá trình 
chọn và tối ưu hóa các lưỡng cực nano 
anten một cách hợp lý, từ đó áp dụng vào 
67 
những ứng dụng cụ thể, ví dụ như kết hợp 
một mảng nano anten hình tròn chấm 
lượng tử với anten quang dẫn nhằm tăng 
hiệu suất phát sóng THz. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. Ngô Bá Thưởng (2007), “Chế tạo và nghiên 
cứu tính chất của hạt vàng có kích thước 
nano”, Khóa luận tốt nghiệp cử nhân Trường 
ĐHKH Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội. 
2. Hoàng Thị Hiến (2012), “Mô hình hóa hiện 
tượng SPR của các hạt nano kim loại,” Luận 
văn Thạc sỹ Trường ĐHKH Tự nhiên, ĐHQG 
Hà Nội. 
3. Trần Thu Hà (2011), “Hiện tượng cộng hưởng 
plasmon bề mặt của các hạt nano kim loại,” 
Luận văn Thạc sỹ Trường ĐHKH Tự nhiên, 
ĐHQG Hà Nội. 
4. Nguyễn Khắc Thuận (2011), “Nghiên cứu 
tính chất điện - từ của hạt và màng mỏng Au 
có kích thước nano” Luận văn Thạc sỹ 
Trường ĐHKH Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội. 
5. L. Tang, S.E. Kocabas, S. Latif, A. K. Okyay, 
D.S. Ly-Gagnon, K. C. Saraswat and D. a B. 
Miller (2008), “Nanometre-scale germanium 
photodetector enhanced by a near-infrared 
dipole antenna”, Nature Photonics, vol. 2, pp. 
226-229. 
6. K. Okamoto, I. Niki, A. Shvartser, Y. 
Narukawa, T. Mukai, and A. Scherer (2004), 
“Surface-plasmon-enhanced light emitters 
based on InGaN quantum wells”, Nature 
Materials, vol. 3, pp. 601-605. 
7. D. M. Koller, A. Hohenau, H. Ditlbacher, N. 
Galler, F. Reil, F. R. Aussenegg, A. Leitner, 
E. J. W. List, and J. R. Krenn (2008), 
“Organic plasmon-emitting diode”, Nature 
Photonics, vol. 2, pp. 684-687. 
8. H. A. Atwater and A. Polman (2010), 
“Plasmonics for improved photovoltaic 
devices”, Nature Materials, vol. 9, pp. 205–213. 
9. N. A. Hatab, C. H. Hsueh, A. L. Gaddis, S. 
T. Retterer, J.-H. Li, G. Eres, Z. Zhang, and 
B. Gu (2010), “Free-standing optical gold 
bowtie nano antenna with variable gap 
size for enhanced raman spectroscopy”, 
Nano Letters, vol. 10, pp. 4952-4955. 
10. S. S. Acimoviü, M. P. Kreuzer, M. U. 
González, and R. Quidant (2009), “Plasmon 
near-field coupling in metal dimers as a step 
towards single-molecule sensing”, ACS 
Nano, vol. 3, no. 5, pp. 1231-1237. 
11. S. Park, K. Jin, J. Ye, and K.H. Jeong 
(2011), “Nanoplasmonic photoconductive 
antenna for high power terahertz emission”, 
IEEE 16
th
 Int. Conference TRANSDUCERS, 
pp. 2498-2501. 
12. S. G. Park, K. H. Jin, M. Yi, J. C. Ye, J. 
Ahn, and K. H. Jeong (2012), 
“Enhancement of terahertz pulse emission 
by optical nano antenna”, ACS Nano, vol.6, 
no.3, pp. 2026-2031. 
13. S. G. Park, Y. Choi, Y. J. Oh, and K. H. 
Jeong (2012), “Terahertz photoconductive 
antenna with metal nanoislands”, Optics 
Express, vol.20, no.23, pp. 25530-25535. 
14. T. J. Seok, A. Jamshidi, M. Kim, S. Dhuey, 
A. Lakhani, H. Choo, P. J. Schuck, S. 
Cabrini, A. M. Schwartzberg, J. Bokor, E. 
Yablonovitch, and M. C. Wu (2011), 
“Radiation Engineering of optical antennas 
for maximum field enhancement”, Nano 
Letters, vol. 11, pp. 2606 – 2610. 
15. CST Microwave Studio, CST GmbH (2015) 
trên website: 
 Ngày nhận bài: 10/8/2015 Biên tập xong: 15/10/2015 Duyệt đăng: 20/10/2015