Registro:
| Documento: | Tesis de Grado |
| Título: | Simulaciones FDTD en la nanoescala : plasmónica a través de Python y MEEP |
| Autor: | Pais, Valeria Rocío |
| Editor: | Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales |
| Filiación: | CONICET. Centro de Investigaciones en Bionanociencias "Elizabeth Jares Erijman" (CIBION)
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| Publicación en la web: | 2023-09-12 |
| Fecha de defensa: | 2021-12-15 |
| Fecha en portada: | 15 de Marzo de 2022 |
| Grado Obtenido: | Grado |
| Título Obtenido: | Licenciado en Ciencias Físicas |
| Director: | Stefani, Fernando Daniel |
| Idioma: | Español |
| Formato: | PDF |
| Handle: |
http://hdl.handle.net/20.500.12110/seminario_nFIS000131_Pais |
| PDF: | https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/download/seminario/seminario_nFIS000131_Pais.pdf |
| Registro: | https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/collection/seminario/document/seminario_nFIS000131_Pais |
| Ubicación: | Dep.FIS 000131 |
| Derechos de Acceso: | Esta obra puede ser leída, grabada y utilizada con fines de estudio, investigación y docencia. Es necesario el reconocimiento de autoría mediante la cita correspondiente. Pais, Valeria Rocío. (2021). Simulaciones FDTD en la nanoescala : plasmónica a través de Python y MEEP. (Tesis de Grado. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de http://hdl.handle.net/20.500.12110/seminario_nFIS000131_Pais |
Resumen:
El modelado de la interacción de la luz y la materia en la nanoescala requiere de cálculos numéricos para resolver las Ecuaciones de Maxwell. Sólo de este modo puede abordarse la respuesta óptica de nanoestructuras complejas con resonancias que dependen de la composición material y de la geometría a nivel nanométrico. El método de diferencias finitas en el dominio temporal (FDTD) es uno de los métodos numéricos más usados para cálculos de campo electromagnético y en especial para aquellos campos producidos por nanopartículas metálicas excitadas por luz. Dentro de las muchas implementaciones existentes de FDTD, el paquete gratuito y de fuente abierta MEEP ha sido citado en muchas publicaciones científicas y se destaca, entre otras cosas, por la flexibilidad y versatibilidad que ofrece al usuario con la posibilidad de programar rutinas personalizadas utilizando una librería de Python. Con esta herramienta se buscó en esta tesis aplicar simulaciones FDTD-MEEP al modelado de la respuesta óptica de nanoestructuras metálicas con el objetivo final de generar datos que permitan aumentar el entendimiento de fenómenos y experimentos del área de la plasmónica. Para evaluar el desempeño numérico de FDTD-MEEP, se trabajó con sistemas simples que permitiesen la comparación con soluciones analíticas. Se emplearon nanopartículas únicas de oro de geometría esférica, inmersas tanto en vacío como en agua, y se realizó un contraste con teoría brindada por la aproximación cuasi-estática dipolar y la teoría exacta de Mie, evaluando materiales a través del modelo de Drude-Lorentz. Se desarrollaron rutinas en celdas computacionales 3D para la extracción de patrones de campo en el dominio temporal y la obtención de espectros de eficiencia de dispersión en el dominio de las frecuencias. Se estudió para ello la implementación de fuentes de ondas planas linealmente polarizadas que permitiesen la excitación a través de luz monocromática y de un pulso luminoso de perfil gaussiano en frecuencias y gran ancho espectral limitado por Fourier. Se caracterizó también el consumo de recursos computacionales de las simulaciones FDTD a través de un análisis de tiempo de cómputo y ocupación de memoria RAM, considerando distintos grados de discretización. El resultado final fue una implementación particular de FDTD-MEEP de libre acceso denominada PyMeepPlasmonics, que contiene módulos de código y rutinas de simulación para plasmónica que se pueden implementar tanto en serie como en paralelo, ya sea desde computadoras personales o desde super-computadoras o clusters.
Abstract:
Modelling the interaction of light and matter at the nanoscale requires numerical calculations to solve Maxwell Equations. This is the only way to approach resonant complex nanostructures whose optical response depends both on its material composition and its nanometric geometry. The finite-difference time-domain method (FDTD) is one of the most popular techniques applied to electromagnetic field calculations and it is frequently used on optically excited metallic nanoparticles. Within the many available FDTD implementations, MEEP is a free and open-source software that has been cited in many scientific publications. One of its most standing features lays in the flexibility and versatibility offered by its Python library that allows users to create customized scripts and routines. In this work, these tools are used to apply FDTD-MEEP simulations to modelling the optical response of nanostructures in aims to generate data that allows an increasing understanding about Plasmonics phenomena and experiments. In order to assess FDTD-MEEP perfomance in Plasmonics, numerical solutions to simple systems were compared to analytical solutions. Single gold spherical nanoparticles inmmersed both in vacuum and water were chosen as a case study. Simulation results were compared to those obtained by applying quasi-static dipolar approximation and exact Mie theory to a Drude-Lorentz modelled material. Execution scripts and routines were developed in 3D computational cells to extract field patterns in time domain and to obtain scattering efficiency spectra in frequency domain. Implementation of linearly polarized planewave sources was therefore studied to be used as excitation by both monochromatic light and a Fourier limited light pulse with a wide bandwidth Gaussian frequency spectrum. FDTD consumption of computational resources was characterized by analyzing execution time and RAM memory occupation for different discretization levels. The final product was PyMeepPlasmonics: a freely accesible FDTD-MEEP implementation that contains code modules and routine scripts that allow for serial and parallel Plasmonics simulations to be run both in personal computers and clusters.
Citación:
---------- APA ----------
Pais, Valeria Rocío. (2021). Simulaciones FDTD en la nanoescala : plasmónica a través de Python y MEEP. (Tesis de Grado. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/seminario_nFIS000131_Pais
---------- CHICAGO ----------
Pais, Valeria Rocío. "Simulaciones FDTD en la nanoescala : plasmónica a través de Python y MEEP". Tesis de Grado, Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, 2021.https://hdl.handle.net/20.500.12110/seminario_nFIS000131_Pais
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