Plasmonic nano-antennas have been taking a crucial position in biophysical or chemical applications such as fluorescence microscopy or surface enhanced Raman spectroscopy. We have designed and simulated a gold nano-antenna active in optical frequency range, using the finite-difference time-domain method. Employing the fundamental and higher-order resonant modes at the same time, both excitation and decay rate of a quantum emitter can be highly increased at the central gap of the antenna. Taking advantage of barely interrupting pumping and probing channels, excitation source can be incident in oblique angles from the substrate while the radiation from the emitter can be collected at the upper medium. When the angles are larger than the critical angle of the total internal reflection, a high signal-to-noise ratio is achievable by completely reflecting the incident lights not coupled to the antenna mode. Our designed antenna can also satisfy diverse experimental conditions for flexible tunability in resonant wavelength range and field enhancement by adjusting geometrical dimensions. For example, the resonant wavelengths of the first mode for the fluorescence signal and the third mode for the excitation signal are tuned up to 400 and 100 nm ranges respectively. We expect that the proposed plasmonic antenna would improve the degree of signal enhancement and quality in total internal reflection fluorescence microscopy. In addition, we have also investigated platinum nano-rod antennas formed by electron beam induced deposition.
플라즈모닉 나노 안테나는 형광 현미경 또는 표면향상 라만 분광법 같은 생물물리학 또는 화학 응용분야에서 중요한 위치를 차지해왔다. 이 연구에서는 유한차분 시간영역법을 이용하여 가시광 영역에서 작동하는 금 나노 안테나를 설계하고 시뮬레이션 하였다. 기본 공진 모드와 높은 차수의 모드 모두 사용하여 안테나의 중앙 틈에서 양자 방출기의 여기율와 방출율 모두 높게 증가시킬 수 있다. 거의 겹치지 않는 펌핑과 측정 경로의 장점을 이용하여, 방출기를 여기시키는 빛은 아래쪽 기판에서 비스듬한 각도로 입사시키고 방출된 신호는 위쪽 매질을 통해 모을 수 있다. 그렇기 때문에 입사각이 전반사 임계각보다 높을 때 안테나와 결합하지 않는 입사광이 완전히 반사되는 것을 이용해 높은 신호대잡음비를 얻을 수 있다. 또한, 우리가 설계한 안테나는 각 부분의 수치를 바꿈으로써 공진 파장 범위와 전기장의 증대 정도를 조절함에 있어 유연하기 때문에 다양한 실험 조건을 충족시킬 수 있다. 예를 들어, 형광 방출에 사용되는 안테나의 첫 번째 모드 공진파장과 분자를 여기시키는 세 번째 모드의 파장을 각각 400과 100 nm 범위까지 조정할 수 있다.
우리는 이 연구에서 제안한 플라즈모닉 안테나가 전반사 형광 현미경에서 사용되면 신호의 증폭정도와 품질을 향상시킬 수 있을 것으로 기대한다. 추가로, 전자빔 유도 증착법을 통해 백금 나노 막대를 만들고 조사하는 연구를 수행하였다.
