Численное моделирование влияния пары наночастиц на электромагнитное поле в ближней зоне методом векторных конечных элементов

Abstract

В работе предлагается математическая модель на основе векторного метода конечных элементов для исследования распределения электромагнитного поля в ближней зоне пары сферических наночастиц. Данная модель позволила разработать алгоритмы и соответствующее программное обеспечение. Была проведена верификация, показавшая, что расхож- дение результатов исследования предлагаемой математической модели и имеющихся данных расчётов по аналитическим формулам согласно теории Ми (G. Mie) для однородных сферических наночастиц не превышает 10 %. С помощью созданного программного обеспечения проведён вычислительный эксперимент с целью определения расположения пары металлических наночастиц, при котором интенсивность электромагнитного поля в ближней зоне будет достигать наибольшего значения. Достоинством предлагаемой математической модели и методики её применения является использование в качестве конечных элементов тетраэдров, позволяющих с достаточной для практических целей точностью аппроксимировать неоднородную структуру наноматериала. Кроме того, обеспечивается непрерывность во всей расчётной области тангенциальной компоненты электромагнитного поля.

Here we propose a mathematical model based on a vector finite-element method for modeling the distribution of the electromagnetic field in the near zone of spherical particles. This model has allowed us to develop algorithms for the appropriate software. The verification of the model shows that the discrepancy between the research results of the proposed model and the available calculation results based on analytical formulas derive d from the Mie theory for homogeneous spherical nanoparticles does not exceed 10 percent. Calculations were carried out to determine the relative positions of a pair of metal nanoparticles at which the intensity of the electromagnetic field reaches the maximum value in the near zone. The advantage of the proposed mathematical model and approach consists in the use of tetrahedrons as finite-elements. The tetrahedron finite-elements allow one to approximate the heterogeneous structure of the nanomaterial with the accu racy sufficient for the practical use. Furthermore, in this way the continuity of the tangential component of the electromagnetic field in the entire calculation region can be achieved.