Тема работы: Моделирование спектроскопии характеристических потерь энергии электронами и катодолюминесценции для частиц в бесконечной однородной среде методом дискретных диполей. А также то же самое для частиц вблизи полубесконечной подложки.

• Александр Александрович Кичигин, магистрант ФФ НГУ, инженер ИХКГ СО РАН, инженер-исследователь НГУ
• Максим Александрович Юркин, с.н.с. ИХКГ СО РАН, к.ф.-м.н.

• Грант РНФ 18-12-00052 «Моделирование светорассеяния с помощью метода дискретных диполей: новые приложения и эффективная программная реализация с открытым кодом», рук. Юркин М.А., 2018–2022.

Постановка задачи. Моделировать EELS (electron energy-loss spectroscopy) и CL (cathodoluminescence) для произвольных частиц в бесконечной среде и вблизи полубесконечной подложки, используя метод дискретных диполей (DDA).

Современное состояние проблемы (на момент начала работы). До начала работы моделировать EELS и CL для произвольных частиц можно было только в вакууме, что не отражает экспериментальных условий, т.к. частица всегда находится на (или внутри) подложке, что сдвигает плазмонные резонансы в сторону более низких энергий. Подробное описание работы, включая используемые алгоритмы. Была разработана общая теория потерь энергии произвольными частицами (находящимися в бесконечной среде), где потери выражаются интегралом от известных величин (вычисляемых в DDA) по объему частицы (дискретизованной в DDA). Затем данная теория была обобщена для нахождения частицы вблизи границы раздела двух сред (на полубесконечной подложке). Все выражения для обоих случае были реализованы в открытом ПО ADDA, что сделало возможным моделировать частицы в условиях, отражающих экспериментальные.

Полученные результаты. Получено совпадение промоделированных и экспериментальных резонансных энергий на спектрах для частиц в полубесконечной среде (случай нахождения внутри подложки) и для частиц вблизи границы раздела двух сред (случай частицы на подложке). Для полученных резонансных энергий промоделированы плазмонные карты, они визуально совпадают с экспериментальными.

Эффект от использования кластера в достижении целей работы На кластере были проведены расчеты спектров и плазмонных карт для высоких дискретизаций частицы с порогом остановки итерационного метода в ADDA eps=5. Те же моделирования были проведены на обычном ПК при eps=2 (занимает гораздо меньше времени, поэтому можно на обычном ПК). Показано что для моделирования EELS и CL достаточно eps=2, поскольку повышение точности итерационного метода в первую очередь требует очень высокой дискретизации, а ошибки итерационного метода порядка 1% (eps=2) допустимы при текущих итак достаточно высоких дискретизациях. Поэтому большинство моделирований стало возможным продолжить на обычном ПК и пользоваться кластером уже для подготовки более детализованных картинок и экономии времени для их подготовки. Например, для долгих задач, таких как построение плазмонной карты, даже при всех сокращениях времени вычисления, моделирование на обычном ПК занимает очень долго времени. По этой причине часто именно плазмонные карты моделировались на кластере. В частности, для дипломной работы требовалось построить 4 плазмонные карты для золотой призмы на полубесконечной подложке, каждая из плазмонных карт требует около 25000 независимых запусков ADDA. На кластере удалось всего за 1 сутки построить все 4 плазмонные карты, что в свою очередь позволило успеть добавить в презентацию на МНСК сравнение промоделированных плазмонных карт и экспериментальных, тем самым продемонстрировать отличное совпадение новой теории для моделирования с экспериментом. Данный доклад был удостоен диплома 1 степени.

• Kichigin A.A. and Yurkin M.A. Electron-energy-loss spectroscopy and cathodoluminescence for particles inside substrate, VI International Conference on Metamaterials and Nanophotonics (METANANO 2021), 13–17 September 2021, Online. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/2015/1/012064
• Kichigin A.A. and Yurkin M.A. Simulating nanoparticles interaction with an electron beam using the discrete dipole approximation, The 19th Electromagnetic and Light Scattering Conference, 12–16 July 2021, Online, p. 119.
• Yurkin M.A., Smunev D.A., Glukhova S.A., Kichigin A.A., Moskalensky A.E., and Inzhevatkin K.G. Capabilities of the ADDA code for electromagnetic simulations, Radiation and Scattering of Electromagnetic Waves (RSEMW 2021), 28 June – 2 July 2021, Divnomorskoe, Russia. https://ieeexplore.ieee.org/document/9494136/
• Kichigin A.A. and Yurkin M.A. Simulating nanoparticles interaction with electrons, Bremen Zoom Workshop on Light Scattering 2021, 22–23 March 2021, Online, pp. 62–65.
• Kichigin A.A. and Yurkin M.A. Electron energy loss spectroscopy in the framework of the discrete dipole approximation, V International Conference on Metamaterials and Nanophotonics (METANANO 2020), 14–18 September 2020, Online. https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/5.0031804