Optical, electromagnetic, and thermal modeling of near-field radiative energy transfer from plasmonic nanoantennas to a magnetic recording medium

Abstract

Nanoteknolojideki gelişmeler, nano düzeydeki cihazların ısı transferi ve sıcaklık kontrolüne yeni zorluklar getirdi. Bu tezde, odaklanmış ışık demeti ile aydınlatılan ve ince film manyetik tabaka yapısının yakınına yerleştirilen plasmoniknano antenlerin elektromanyetik ve termal davranışları incelenmiştir. Bu problemi inceleyebilmek için, optik, elektromanyetik ve termal modeller geliştirilmiş ve birbirleriyle entegre edilmiştir. Sıkıca odaklanmış ışık demetini tanımlamak için optik ışın demetlerinin takibine dayanan Richards-Wolf teorisi kullanılarak optik model aracı geliştirilmiştir. Nano antenlerin ve ince film manyetik tabakaların elektrik alan ve dağılmış güç profillerini analiz edebilmek için elektromanyetik modelleme aracı kullanılmıştır. Nano antenlerin ve ince film manyetik tabaka yapılarının üzerindeki sıcaklık dağılımının kontrolü için termal model geliştirilmiştir.Optik, elektromanyetik ve ısı transferi modelleri entegre edilmiş ve simülasyonlar MATLAB kodu aracılığıyla hazırlanan komut dosyalarıyla gerçekleştirilmiştir. Elektromanyetik ve ısı transferi analizleri dipol, fiyonk ve ok şeklindeki nano antenler için gerçekleştirilmiştir. İnce film manyetik tabaka üzerinde tek optik ve ısı beneği elde edilen durumlar sunulmuştur. Termal performansı artırmak için yeni nano anten türü önerilmiştir. Dipol, fiyonk ve yeni önerilen ok şeklindeki nano antenlerin benzer elektromanyetik dağılım özellikleri gösterirken, daha düşük anten sıcaklığı sağlayan, yeni önerilen ok şeklindeki nano antenin sıcaklık kontrolü açısından ciddi ilerleme sağladığı gösterilmiştir.

Developments in nanotechnology have brought new challenges in heat transfer and temperature control in nanoscale devices. In this thesis, the electromagnetic and thermal behavior of plasmonicnanoantennas are investigated when they are illuminated with a focused beam of light and placed in the vicinity of thin film magnetic layer structures. To investigate this problem, optical, electromagnetic, and thermal models are developed and integrated. An optical modeling tool is developed to define a tightly focused beam of light by utilizing Richards-Wolf theory, which is primarily based on ray-tracing of optical beams. An electromagnetic modeling tool is used to analyze nano antennas and thin-film magnetic layers in terms of electric field and dissipated power distribution profiles. A thermal modeling tool is developed to control the temperature distribution on nanoantennas and thin film magnetic layer structures.Optical, electromagnetic and heat transfer modeling tools are integrated and simulations are conducted by generating script files using MATLAB codes. Electromagnetic and heat transfer analysis are conducted for dipole, bowtie and arrow shaped nanoantennas. The conditions to obtain single optical and hot spots on the thin film magnetic layer are presented. A novel nanoantenna type is proposed to improve thermal performance. It has been demonstrated that dipole, bowtie and a newly proposed arrow-shaped nano antennas show similar electromagnetic behaviors while the arrow-shaped nano antenna shows significant improvement in terms of temperature control which yields low antenna temperatures.