Photon nanojet lens: Design, fabrication and characterization

In this paper, a novel nanolens with super resolution, based on the photon nanojet effect through dielectric nanostructures in visible wavelengths, is proposed. The nanolens is made from plastic SU-8, consisting of parallel semi-cylinders in an array. This paper focuses on the lens designed by numerical simulation with the finite-difference time domain method and nanofabrication of the lens by grayscale electron beam lithography combined with a casting/bonding/lift-off transfer process. Monte Carlo simulation for injected charge distribution and development modeling was applied to define the resultant 3D profile in PMMA as the template for the lens shape. After the casting/bonding/lift-off process, the fabricated nanolens in SU-8 has the desired lens shape, very close to that of PMMA, indicating that the pattern transfer process developed in this work can be reliably applied not only for the fabrication of the lens but also for other 3D nanopatterns in general. The light distribution through the lens near its surface was initially characterized by a scanning near-field optical microscope, showing a well defined focusing image of designed grating lines. Such focusing function supports the great prospects of developing a novel nanolithography based on the photon nanojet effect.

Multiphysics Simulation of Nanostructured Semiconductor Devices

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2013

Caracterização bidimensional de um canal rádio Wimax

Com o crescimento previsível e exponencial das redes de comunicações móveis motivado pela mobilidade, flexibilidade e também comodidade do utilizador levam a que este se torne na fatia mais importante do mundo das telecomunicações dos dias que correm. Assim é importante estudar e caracterizar canais rádio para as mais diversas gamas de frequências utilizadas nas mais variadas tecnologias. O objectivo principal desta dissertação de Mestrado é caracterizar um canal rádio para a tecnologia sem fios Worldwide Inter-operability for Microwave Access (Wimax para as frequências de 3,5 GHz e 5 GHz) actualmente vista pela comunidade científica como a tecnologia sem fios com maiores perspectivas de sucesso. Para tal, determinaram-se o Perfil de Atraso de Potência (PAP) e também a Potência em Função da Distância (PFD) recorrendo ao método computacional de simulação Finite-Difference Time-Domain (FDTD). De forma a estudar e caracterizar o canal rádio, em termos de desvanecimento relativo ao espalhamento de atraso, usaram-se dois métodos alternativos que têm como entrada o PAP. Para caracterizar o canal quanto ao desvanecimento baseado em espalhamento de Doppler, recorreu-se também a duas técnicas alternativas tendo como entrada o PFD. Em ambas as situações os dois métodos alternativos convergiram para os mesmos resultados. A caracterização é feita em dois cenários diferentes: um em que consideramos que a maioria dos obstáculos são condutores eléctricos perfeitos (CEP) e que passaremos a designar Cenário PEC, e um segundo cenário em que os obstáculos têm propriedades electromagnéticas diferentes, e que passará a ser designado por Cenário MIX. Em ambos os cenários de análise concluiu-se que o canal é plano, lento e sem ISI.

DEVELOPMENT AND ANLAYSIS OF BROADBAND L·STRIP FED MICROSTRIP ANTENNAS

The thesis is the outcome of the experimental and theoretical Investigations on novel feeding techniques for bandwidth enhancement of microstrip patches. The new feeding techniques provide bandwidth enhancement without deteriorating the radiation characteristics of the antenna. The antenna is analysed using finite Difference Time Domain (FDTD) method. The predicated results are compared with the experimental results and excellent agreement is observed. The results are also verified using IE3D simulation software. The antenna is suitable for personal and broadband communications.

Printed Monopole Antenna for Ultra Wide Band (UWB) Applications

The thesis is the outcome of the exhaustive theoretical and experimental investigations performed on Printed Monopole Antennas loaded with different geometries .The work presented in this thesis describes the development of a 3D- FDTD(Finite Difference Time Domain) Modeller using MATLAB for the numerical computation of the radiation characteristics of the antenna. The predicted results are verified experimentally and also through simulation using Ansoft HFSS.The effect of top loading of the monopole with different geometries ,the dimensions of the loading patch and ground plane and the material parameters of the dielectric substrate upon the radiation performance of the antenna is studied in detail. Optimized Printed Monopole antennas suitable for Ultra Wide Band (UWB) applications have been developed.

Development of a Novel Wideband Cylindrical Dielectric Resonator Antenna

The author presents the development of a new dielectric resonator antenna(DRA) suitable for wideband wireless communication applications.The design comprises of a simple cylindrical dielectric resonator (DR) and a microstrip feed, in a low radiation-Q structure,enabling wide impedance bandwidth.The radiation pattern is conical shaped,resulted from thew low-Q structure.Dielectric constant of the DR,its dimensions and topological parameters of the feed line are the major design parameters of the antenna.By proper selection of these parameters,the DRA can be operated over a wideband width covering multiple wireless applications.The antenna is simulated using Ansoft HFSS TM and measured using HP 8510C vector network analyser.Some of the measured results are confirmed by using the Finite Difference Time Domain(FDTD) technique implemented in MATLAB.

Octagonal Microstrip Patch Antenna For Dual Band Applications

A dual port dual polarized octagonal microstrip patch antenna suitable for dual band applications is discussed theoretically and experimentally. The antenna exhibits good impedance bandwidth, gain and broad radiation patterns. Parameters predicted by the Conformal Finite Difference Time Domain algorithm show good agreement with the simulated results and experimental observations

Acoustic emission study on corona discharge using FDTD model

This paper attempts to study the propagating characteristics of acoustic signals emitted from the breakdown of air using time domain numerical model. Acoustic emissions are produced by high voltage faults such as partial discharge and surface discharge. Study of such emissions has become popular among researchers because of the promising correlation between partial and surface discharges and its byproduct, acoustic signal emission. In this paper, propagation characteristics of acoustic signals are studied using finite difference time domain (FDTD) method. Multiple monitoring points are placed within a designated computation space at different distance away from a source.

Electromagnetic energy harvesting in a head-mountable DBS device using a circular PIFA

A circular planar inverted-F antenna (PIFA) is designed and simulated at the industrial, scientific, and medical (ISM) band of 915 MHz for energy harvesting in a head-mountable deep brain stimulation device. Moreover, a rectifier is designed, and also the interaction of the PIFA with a rat head model is investigated. In the proposed PIFA, the top radiating layer is meandered, and a substrate of FR-4 is used. The radius and the height of the antenna are 10 mm and 1.8 mm, respectively. The bottom conductive layer works as a ground plate, and a superstrate of polyethylene reduces the electromagnetic penetration into the rat head. The resonance frequency of the designed antenna is 915 MHz with a bandwidth of 18 MHz at the return loss of -10 dB in free space. The antenna parameters (e.g. reflection coefficient, gain, radiation efficiency), electric field distribution, and SAR value are evaluated within a seven-layer rat head model by using the finite difference time domain EM simulation software XFdtd. The interactions of the antenna and the rat head model are studied in both functional and biological aspects.

Design and fabrication of nano-sinusoid LSPR devices

Applications of LSPR nano-particles in various areas of solar cells, LSPR biosensors, and SERS biosensors, based on interaction of light with noble metal nano-particles is increasing. Therefore, design and nano-fabrication of the LSPR devices is a key step in developing such applications. Design of nano-structures with desirable spectral properties using numerical techniques such as finite difference time domain (FDTD) is the first step in this work. A new structure called nano-sinusoid, satisfying the some desirable LSPR characteristics, is designed and simulated using the FDTD method. In the next stage, analytical method of electro static eigen mode method is used to validate the simulation results. The, nano-fabrications method of electron beam lithography (EBL) is implemented to fabricate the proposed profile with high precision. Finally, atomic force microscopy (AFM) is used to investigate the shape of the fabricated nano-particles, and the dark field microscopy is employed to demonstrate the particular spectral characteristics of the proposed nano-sinusoids.

Análise de tensões induzidas em linhas de distribuição de baixa tensão frente a uma descarga atmosférica

Neste trabalho são apresentadas simulações computacionais inéditas para o cálculo de tensões induzidas em linhas de baixa tensão provenientes de descargas atmosféricas em estações rádio-base de telefonia celular (ERBs). Foram construídas estruturas representativas que denotam um grau de complexidade bastante avançado e semelhante ao encontrado em campo, visando assim a obtenção o de resultados bem próximos aos da realidade. Para tal, desenvolveu-se um software, no qual as equações de Maxwell são resolvidas numericamente utilizando o Método das Diferenças Finitas no Domínio do Tempo (FDTD), associado à truncagem de domínio de análise pela técnica da UPML e representação de condutores elétricos pela formulação de fio fino para meios condutivos, gerando soluções de onda completa para o problema.

Análise da eficiência de blindagem de estruturas indoors construídas com lâminas "finas" condutoras elétricas, através do método FDTD

Este trabalho apresenta os resultados para a análise da Eficiência de Blindagem utilizando estruturas indoor construídas com lâminas “finas” condutoras elétricas. As simulações foram realizadas utilizando o método das diferenças finitas no domínio do tempo, FDTD, no qual foi implementada uma formulação de sub-célula para o modelamento de estruturas finas. A simulação foi validada comparando-se os resultados obtidos com os disponíveis na literatura. Assim, várias geometrias foram testadas, modificando-se aberturas e o espaçamento entre paredes duplas blindadas. Por fim, um laboratório de alta-tensão foi construído virtualmente, com dimensões reais, e foram analisados os valores da Eficiência de Blindagem considerando a estrutura completamente fechada e com aberturas.

Desenvolvimento de Interface gráfica como suporte para soluções numéricas das equações de Maxwell em coordenadas gerais – 3D

Neste trabalho, é implementada uma interface gráfica de usuários (GUI) usando a ferramenta Qt da Nokia (versão 3.0). A interface visa simplificar a criação de cenários para a realização de simulações paralelas usando a técnica numérica Local Nonorthogonal Finite Difference Time-Domain (LN-FDTD), aplicada para solucionar as equações de Maxwell. O simulador foi desenvolvido usando a linguagem de programação C e paralelizado utilizando threads. Para isto, a biblioteca pthread foi empregada. A visualização 3D do cenário a ser simulado (e da malha) é realizada por um programa especialmente desenvolvido que utiliza a biblioteca OpenGL. Para melhorar o desenvolvimento e alcançar os objetivos do projeto computacional, foram utilizados conceitos da Engenharia de Software, tais como o modelo de processo de software por prototipagem. Ao privar o usuário de interagir diretamente com o código-fonte da simulação, a probabilidade de ocorrência de erros humanos durante o processo de construção de cenários é minimizada. Para demonstrar o funcionamento da ferramenta desenvolvida, foi realizado um estudo relativo ao efeito de flechas em linhas de baixa tensão nas tensões transitórias induzidas nas mesmas por descargas atmosféricas. As tensões induzidas nas tomadas da edificação também são estudadas.

Detecção e localização de descargas parciais em transformadores de potência utilizando sinais acústicoas transitórios e o método GSPS

Neste trabalho, é desenvolvido um método de localização de descargas parciais, em transformadores de potência, baseado no algoritmo GPS (Global Positioning System). Para a análise da estrutura, foi desenvolvido um solftware, no qual as equações diferenciais que representam a propagação de ondas acústicas são resolvidas numericamente através do método Acoustic Finite Difference Time Domain (AFDTD), cujo domínio computacional é truncado através da técnica CPML (Convolutional Perfectly Matched Layer). Os resultados obtidos são comparados a estimativas produzidas utilizando-se sinais elétricos relativos às descargas.

Tailored SERS substrates obtained with cathodic arc plasma ion implantation of gold nanoparticles into a polymer matrix

This manuscript reports on the fabrication of plasmonic substrates using cathodic arc plasma ion implantation, in addition to their performance as SERS substrates. The technique allows for the incorporation of a wide layer of metallic nanoparticles into a polymer matrix, such as PMMA. The ability to pattern different structures using the PMMA matrix is one of the main advantages of the fabrication method. This opens up new possibilities for obtaining tailored substrates with enhanced performance for SERS and other surface-enhanced spectroscopies, as well as for exploring the basic physics of patterned metal nanostructures. The architecture of the SERS-active substrate was varied using three adsorption strategies for incorporating a laser dye (rhodamine): alongside the nanoparticles into the polymer matrix, during the polymer cure and within nanoholes lithographed on the polymer. As a proof-of-concept, we obtained the SERS spectra of rhodamine for the three types of substrates. The hypothesis of incorporation of rhodamine molecules into the polymer matrix during the cathodic arc plasma ion implantation was supported by FDTD (Finite-Difference Time-Domain) simulations. In the case of arrays of nanoholes, rhodamine molecules could be adsorbed directly on the gold surface, then yielding a well-resolved SERS spectrum for a small amount of analyte owing to the short-range interactions and the large longitudinal field component inside the nanoholes. The results shown here demonstrate that the approach based on ion implantation can be adapted to produce reproducible tailored substrates for SERS and other surface-enhanced spectroscopies.