Análisis de nanoantenas para la detección de energía electromagnética a frecuencias de terahertz

Abstract

La radiación electromagnética a frecuencias de terahertz (THz) permanece como la parte menos explorada del espectro electromagnético debido a la dificultad de fabricar fuentes y detectores para estas frecuencias. El concepto de antenas a frecuencias de los THz recientemente ha abierto nuevos campos de investigación teórica y experimental en la nanotecnología. Los grandes avances de la nanotecnología que se han experimentado en los últimos años han aumentado el interés por las antenas a nanoescala como dispositivos para la manipulación eficiente de luz a través de sus propiedades ópticas tales como la concentración, la absorción y la radiación de la luz a escala nanométrica. En particular, varios grupos de investigación recientemente han abordado este tema, sugiriendo que diferentes materiales y geometrías de las nanopartículas se puede emplear como nanoantenas con posibles aplicaciones en las áreas como comunicaciones, aprovechamiento de energía solar, medicina, la física, la química, la biología, entre otros. Sin embargo, esta tecnología está en su etapa temprana y tiene mucho por investigar. El enfoque de esta tesis es analizar el efecto del tamaño, la forma y el material en la respuesta óptica de las nanoantenas metálicas en resonancia. Además, se investiga el comportamiento de los metales a frecuencias de los THz, ya que los metales a estas frecuencias no se comportan como conductores perfectos y por lo tanto son incapaces de responder al campo eléctrico variable en el tiempo inmediatamente. En este caso, las propiedades dieléctricas de los metales se convierten dependientes de la frecuencia. La interacción de nanoantenas con el campo electromagnético en este régimen está determinada por una función dieléctrica compleja, que se puede describir mediante el modelo de Drude. Las simulaciones numéricas son utilizadas en el campo de la investigación ya que es posible obtener soluciones aproximadas a los problemas de la física matemática. Esta tesis presenta la respuesta en frecuencia de nanoantenas mediante el uso de software que se basa en el método de elemento finito (FEM). El análisis tiene como propósito obtener la frecuencia de resonancia, propiedades electromagnéticas de las nanoantenas y que estos parámetros sean de utilidad para el desarrollo de detectores ii y dispositivos para el aprovechamiento de radiación electromagnética a frecuencias de THz. Una de las principales etapas del desarrollo de este trabajo de investigación es generar el modelo del sistema físico, el cual consta de la geometría de las nanoestructuras, los materiales y sus propiedades ópticas. El análisis y cálculos se realizan mediante el software COMSOL Multiphysics® para la resolución de las ecuaciones de Maxwell que describen la interacción de los metales con los campos electromagnéticos. Con la finalidad de demostrar la capacidad de ajuste de la frecuencia de resonancia por medio de la variación de la longitud de las nanoantenas, se analizan nanoantenas tipo dipolo variando su longitud. Se discute el efecto del material, analizando metales tales como, oro, plata, cobre, titanio y níquel. Finalmente, diferentes geometrías de nanoantenas son analizadas en esta tesis incluyendo antenas tipo dipolo, bi-triangular y espiral cuadrada, obteniendo su ancho de banda. La figura de mérito que se reporta en este trabajo para las nanoantenas es la responsividad (ampere/watt). Los resultados muestran que las nanoantenas metálicas pueden ser utilizadas para la detección y aprovechamiento de radiación electromagnética a frecuencias del espectro infrarrojo y visible, y la simulación numérica puede ser utilizada para la optimización del rendimiento de nanoantenas.