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Plasmonic nanoparticle simulations and inverse design using machine learning

等离子体子 反向 等离子纳米粒子 超短脉冲 纳米颗粒 计算机科学 领域(数学) 材料科学 反问题 资源(消歧) 纳米技术 光电子学 物理 光学 几何学 数学 数学分析 激光器 计算机网络 纯数学
作者
Jing He,Chang He,Chao Zheng,Qian Wang,Jian Ye
出处
期刊:Nanoscale [Royal Society of Chemistry]
卷期号:11 (37): 17444-17459 被引量:123
标识
DOI:10.1039/c9nr03450a
摘要

Collective oscillation of quasi-free electrons on the surface of metallic plasmonic nanoparticles (NPs) in the ultraviolet to near-infrared (NIR) region induces a strong electromagnetic enhancement around the NPs, which leads to numerous important applications. These interesting far- and near-field optical characteristics of the plasmonic NPs can be typically obtained from numerical simulations for theoretical guidance of NP design. However, traditional numerical simulations encounter irreconcilable conflicts between the accuracy and speed due to the high demand of computing power. In this work, we utilized the machine learning method, specifically the deep neural network (DNN), to establish mapping between the far-field spectra/near-field distribution and dimensional parameters of three types of plasmonic NPs including nanospheres, nanorods, and dimers. After the training process, both the forward prediction of far-field optical properties and the inverse prediction of on-demand dimensional parameters of NPs can be accomplished accurately and efficiently with the DNN. More importantly, we have achieved for the first time ultrafast and accurate prediction of two-dimensional on-resonance electromagnetic enhancement distributions around NPs by greatly reducing the amount of electromagnetic data via screening and resampling methods. These near-field predictions can be realized typically in less than 10-2 seconds on a laptop, which is 6 orders faster than typical numerical simulations implemented on a server. Therefore, we demonstrate that the DNN is an ultrafast, highly efficient, and computing resource-saving tool to investigate the far- and near-field optical properties of plasmonic NPs, especially for a number of important nano-optical applications such as surface-enhanced Raman spectroscopy, photocatalysis, solar cells, and metamaterials.
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