Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er  En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l.   10 ,  N o.   3 ,  June   2020 ,  pp.  2969 ~ 29 77   IS S N:  20 88 - 8708 ,  DOI: 10 .11 591/ ijece . v 10 i 3 . pp2969 - 29 77           2969       Journ al h om e page :  http: // ij ece.i aesc or e.c om/i nd ex .ph p/IJ ECE   Therm al r esponse  of  skin  d isea s ed ti ssue tr eated    by plasm onic n anoante nn a       Ra s ha H.   Mahdi ,  H ussein  A.   Jaw ad   Instit ute of La se r  for  Pos tgra du ate  Studi es,   Univ e rsit y   of  B aghda d ,   Ir aq       Art ic le  In f o     ABSTR A CT    Art ic le  history:   Re cei ved   J ul  11 , 2 019   Re vised  Jan   4 ,   2020   Accepte d  Ja n 1 2 , 2 020     The   th ermal   dist ribut ion  in  th e  d isea sed  t issue  tr ea t ed  b y   diff erent  m et hods   fac es  the   probl e m   of  a n   uncont roll able  def used  hea t .   In  the   pre sent  art i cle ,     we  use  a   pl asm onic   bowt ie   n ano ant enn a  working   in  the   n ea r   infr are d  r egi on   to  enha nc e  the  te m per at ure   c onfine m ent   in  the   ti ss ue.   Th e   Com pute r   Sim ula ti on  Tec hnolog y   Studio   Suite   pac k age  ver sion  2019  was  used  to  exe cu te   the  d esign  of  bo th   pla sm onic   n a noant enn a  and   the  ti ss ue.    Gold  nanostruc ture   and  sili co n  ca rbide   diox ide   are   the   c om ponent s     the   pla sm onic   n anoa nt enna   in  t he  bowtie   shap e.   Th e  result s  s howed  tha t     the   dista nc e  be twee n  the   tumor  ti ss ue  and  the   ant enn a  is  important   to   det ermine   the  i nte nsit y   f ie l d  w her e  the   m axi m um   fie ld  is  5 . 9 *10 7   V/m    at   a   dista n ce  of  100  nm .   T he  m axi m um   s pec if ic   absorption  rate  is     1. 92*10 11   W /kg  at   a  sim il ar  d ista nc e  which  giv es  a  highe r  t empera tur e  i n     the   t issue  of  58 0  C o .   It  is  con cl uded  tha t   fro m   t he  obta in ed   result s  that    the   ne ar  infra r e d  (1064  nm )  resona nce  wave l engt h  is  r ec om m ende d  in     the   tr ea tment  of  ca nc er  c el l  b y   p l asm onic   bowtie   nanoa nt enna   be c ause   highe r   int ensity   fi el d  i s  gene rat ed .   Th e  cl oser  dista n c e  to  the   nanoa n te nna  giv es  highe r  te m p er ature  in  the   t issue  while   the   t emper at ure   gr adua l l y   dec re ase s  in   the   ti ss ue  t il l   40 0  nm   where   no   v al uab le   te m per a t ure   was d et e cted .   Ke yw or d s :   Bow ti e   Op ti cal  n a noa nt enn a   Plasm on ic s   SA R   Tem per at ur e  distribu ti on     Copyright   ©   202 0   Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .    Al l   rights re serv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   Ra sh a  H.  Ma hdi ,    In sti tute  of Las er fo r  P os tg ra duat e Stu dies ,   Un i ver sit y o f B aghda d ,   Ba ghda d,   Ir a q .   Em a il : rash a@ il ps .uo bagh dad.ed u. iq       1.   INTROD U CTION     The  inte racti on  of  li ght  wit h  m et al   nan ost ru ct ure  is  th e  bac kbone  of  plasm on ic s.   The  m et al  nanostr uctu re  i s  freq ue ncy  de pende nt.  T he  de sign e d  na no - s tructu res  a re  w el l  known  t o  ge ner at e  t he  ho t - spots   wh e re  the  i nci den t  fiel d  is  e nh a nce d  by  sever al   order   of  m agn it ud e .  T he   plasm on ic   re so n ance  obser ved   i n  these str uctu re s ope ns  the  ab i li ty  to  desig n  a nten nas o per at i ng in  t he op ti c al  sp ect r um   [1 ,  2] .   Op ti cal   na noa nten nas  of  th e  na no - siz ed   m et al l ic   par ti cl e  can  im pr ov e  the  m is m a t ch  betwee n    the  diffracti on   lim it ed  sp ot  of  the  e xcita ti on  li ght  an d  f luorescent   m ol ecules  that   are   m uch   sm al le r   tha n    the  incide nt  wav el e ng t h  [3] .  Confinem e nt  of  li ght  on  s ubwa velen gth   scal es  wi th  la rg e   local   fiel ds    by  the  e xploit a ti on   o f   surface   plasm on s,  w hi ch  are   colle ct ive  c harge  os ci ll at ion s,  le a ds   t he  dem on strat ion  of   revoluti onary  con ce pts  [4] .   P la s m on ic   na no anten na  ca n  produce  ve ry  hi gh  near  fiel d  i nt ensiti es  due  to   their   local iz ed  surf ace  plasm on   resona nce  (LSPR )  [ 2] .  Different  ap plica ti on s  a re  de pe nd i ng   on   nea r  fiel d  enh a ncem ent  gen e rated  by  plasm on ic   op ti cal   nanoan te nnas  suc h  as  s urface - en ha nced  Ram an  sp ect r os c op y  (S ERS ),   biose ns in g, cance r  tr eatm ent, sp ect r al  i m aging ,  so l ar a pp li cat ions,  and  near - fiel d  pro bes  [5,  6] .   Am on g  va rio us   cat e gories   of  nanostr uc tures  re ported   so  fa r  to   m anipu la te   L SPR,  bowtie   nanoa nten na  holds  a   uniq ue  po sit io n  du e   to   it s  giant  el ect ric  fiel d  e nhan ce m ent  at   the  sh ar p  m et a l  ti p s  an d  nano fo c us in g  char act e risti cs   [7,  8] .  He nc e  bowtie   nano structu res  have  been   us e d  f or   high - perf orm ance  plasm on ic   ap plica ti on s  [ 9] .   The  well - kn own  e xam ple   of   nanoa nte n na  is  th e  bowtie   ante nn a ,  w her e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  10 , No .  3 ,  J une   2020   :    296 9   -   297 7   2970   a  subwa velen gth   ai r  ga p  betwee n  tw o  m et al l ic   regi on s  ca n  e nhance  the  el ec tric   fiel d  m or e  tha n    100  ti m es  [10 ,  11] .   The  siz e,  sh a pe,   an d  m or phol og y  of  the   nanostr uc tu re   cou ld  be  en gin ee red,  in  add it io n  to    the  inter par ti cl e  distance  a nd  diele ct ric  en vir on m ent   [12] ,  t heir  L SPRs  ca n  be   tu ned   fro m   visible  to  th e  NI R   reg i on   (70 0  –   1400  nm ).   The   near - in fr a red   reg i on   (NIR  re gion)  is  the  so - cal le d  bi ologica l  window  w hich  i s   par ti cula r  inter est   fo r  dee p - ti ssu e  im aging   and   treat m ent   [13] .  Lig ht  to   heat  conve rsi on   is  em plo ye d  f or   photo t her m al   thera py  an d  photo t her m al   dru g  release   in  cance r  cel ls  [14]   The  go l d  na nostr uc tures ,     especial l y  wit h  plasm on ic   pro per ti es  su it able  into  the   NI R  reg i on,   sh ow  gr e at   prom ise   fo r  cancer   photo t her m al   thera py  thr ough   nonradiat i ve  ph oto the r m al   eff ect ,  dem on strat in g  the  abili ty   to  destr oy  cancer ous  le sion   [ 15] ,   Key  f eat ur es  to  co nsi der   w he n  sel ect ing   a  nanostr uctu re  for  phot oth e rm al  therap y  are   the p la sm on   re so na nce  w a vel eng t h,  t he  a bso rp ti on   c ross - se ct ion , a nd t he  s iz e o f  the  na nopar ti cl e   [14 ,   16].   The  opti cal   pro per ti es  of   the  sk in  de te rm ine  li gh t  distrib ution  in  the  irra diate d  re gion     (ep i der m is,  derm is  and   subc utaneous )   [ 17] .  The  op ti cal   te chnolo gies  pro m ise   le ss  dan ge r  to  the  patie nt   [18] .  Serio us ly   rese arch  is  do ne  to  in vestigat e   an d  a naly ze  heat  tra nsfer   thr ough  t he  sk in   ti ssu e  t o  obta in     the  te m per at ure  distrib utio n  bu t  th e   heat  confinem ent  sti ll   a  chall eng e.   I n  this  wor k,   we  de sig n  bo t h  plasm on ic   bowtie   na no a nte nn a  w orkin g  at   1046  nm   and   t he  propose d  tum or   ti ssu e  us in g  C om pu te r   Si m ulati on   Te chnolo gy  (CS T)  softwa re.  S pecific  A bsor pt ion   Ra te   (SA R)  an d  te m per at ur e  distrib utio n  i n    the tum or  c ou l d be esti m at ed.       2.   MA TE RIA L S  AND MET H ODS   The  plasm on ic   nanoan te nna  was  desig ne d  via  CST  Stud i o  Su it e  pack a ge d  ve r sion   20 19.     The  m at erial s  us e d  are  gold  and   SiO 2 .  T he  resona nce  wa ve le ng th  of   t he  desig ne d  na noanten na  is  1064  nm .  Tw o  desi gn   w ear  accom plished,  one  f or   pl as m on ic   bowt ie   and   the  othe r  f or   the  pro po s ed  tum or   t issue.    The det ai ls o f  t he desig n  a re il lustrate d  i n  t he  foll ow i ng sub sect ion s.     2.1.   Plas mo nic   bo w tie  desig n   A  three - dim e ns io nal  ( 3D)  plasm on ic   bowtie   nanoa ntenn a s  w orkin g  at   reso na nce   wav el e ng t h    1064  nm   was  desig ne d.   It  is  com po sed  of   a   m et al/diele ct ri c.  The  us ed  re al   and   im aginar y  par ts  of   the   go l d  diele ct ric  func ti on   with  res pe ct   to  dif fer e nt   i nciden t  wa velen gth s  a re  base d  on  e xp erim ental   data   [19] .    The  refract ive ind e x  of  the SiO 2   s ub st rate  is 1.5   [20] .  T he  bowtie   str uct ur e   is  norm al ly   ill um inate d  by  li near l y   po la rized  wa ve gu i de  excit at ion   s ource  al ong  the  x - a xis  (x - pola rizat io n).  The  s urrou ndin g  en vir on m ent  of     the d e sig n  str uc ture  is a ssu m ed  to  b e  air.     The  swee ping  process   was   done  t o  sel ect   s ui ta ble  ge om et ri c  pa ram et ers  of  the   desig ned  structu re  t o  get  the  re quir ed  res onanc e  wav el e ng t h   [ 21] .  Th e  res ults  are  ante nna  le ng th  an d  width   (L= W = 29 4  nm ),   thickne ss  (T= 60  nm ),   the  ape x  wi dth   ( A= 20  nm ),   the  gap   width   (G = 20  nm )  and   the  bowtie   ang le   ( Θ =90 o ),  and   t he  le ngth ,  the  wi dth ,  a nd   t he  thick ne ss  of   t he  SiO 2   su bst rate  was   set   as  (700,  700,   a nd  20 0)  nm   r especti vely ,  a s sho wn in Fi gure  1.           Figure  1. 3D  S chem at ic  v ie w  of the  plasm on ic  b owti e n a no anten na   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       Th er ma l  resp onse  of skin  d ise as e d  ti ssu e  treated  by pla sm onic  na noante nna   ( Rash a H. Ma hd i )   2971   2.2 .  T issue m od el   The  pro posed  tum or   ti ssu e  is   the  sk in.  T he  po sit io n  of  the   tu m or   ti ssu e  is  in  the  center   of   the  sk in   structu re.  T he   di m ension s  of  sk in  are  sel ect ed  in  relat ion   with  the  bowtie   struct ure  di m ension s  wh e re    the  ti ssu e  le ng th  an d  wi dth   a re  (L= W=  600  nm )  wh il e  the   thickne ss  is  ( T=  300  nm ).   A  sphe rical   sha pe  of    the tum or  ti ssue  of (D= 100 n m )  in d ia m e te r  is pro po s ed  as  sh ow n  in  Fi gur e 2 .   The  the rm al  pr operti es  of  th e  ti ssu e  are  li ste d  in  Table  1.  In   a dd it io n,   the  diele ct ric  pro per ti es  of     the  ti ssu e p la y  an  im po r ta nt  r ole  in  the  i nv e s ti gation  of   t he  pro pag at io n  c ha racteri sti c  of   t he  plasm on ic  opti cal  nanoa nten na.   These  pro per t ie s  are  m ai nl y  dep e ndin g  on  ti ssu e  ty pe   an d  the  wa velen gth   of  interest .     The   desig ne d  t issue  is  s ubj ec te d  to  t he  plas m on ic   nanoa ntenn a   ra diati on  at   dif fer e nt  distances,  t he  re su lt e d  patte rn is s how n  in  Fig ure  3.       Table  1.  T he  propertie s  of the  ti ssu es  [22]   Tissu e   Ther m a l Co n d u ctiv ity   K  ( W / m )   Sp ecif ic Hea tC  (kJ /K/k g )   Mass Den sit y   ρ   (kg / m 3 )   Sk in   0 .2   3 .6   1200   tu m o r   0 .5   3 .6   1050         Figure  2. 3D  S chem at ic  v ie w  of the t um or  e m bed ded  i n  t he  sk i n  ti ssu e         Figure  3. The  fi nal p at te r n of  bowtie  n a noant enn a  in fr ont o f  the  d esi gn e d  t issue       3.   RESU LT S   A ND AN ALYSIS   The  perf or m a nce  of   t he  pl asm on ic   bowt ie ,  SA R  c al culat ion s   an d  t e m per at ure  es tim a ti on   in     the ti ssu e a re i nv e sti gated  a nd a naly zed.     3.1.    Perf orm ance  of  plasm oni c bo w tie  n ano an te nn a   The  re flect ivit y  in  dB  as  a   functi on  of  t he  wa vele ng t h  is  sh ow n  in  Figure  4.   T he   m axi m u m   ref le ct ivit y  is  de te ct ed  at   the   wav el e ng t h  of  1064  nm   wh er e  it   reac hes  - 27. 70  dB .  T he  l eng t h  of  na noa nten na   play s  an  i m po r ta nt  ro le   in  the   sh ifte d  re sona nce  wa velen gt h.   Fig ure  5   s hows  t hat  the  el ect ric  fiel d  is  highly  confine d  i n  the   ga p  of   t he  bowtie   struct ur e .  The  e nhance d  near   el ect ric  fi el d  is  2  *1 0 8   V / m   and   t he   ga p  widt h  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  10 , No .  3 ,  J une   2020   :    296 9   -   297 7   2972   of   20  nm   exp ect ed.   The  f ar  el ect ric  fiel d  in  th ree  di m ension s  f or   the  anten na  a t  diff e ren t  dis ta nces     (10 0,   200,  300,  an d  400)  nm ,  was   in vestigat ed  as   sho wn  in   Fig ur e   6   (a ,  b,  c,  a nd  d) .   T he   est i m at ed  far  fiel d   (5.9* 10 7 ,  2.95 *10 7 , 1.9 7*10 7   and 1.4 7*10 7 )   V/m  at dista nces (100, 2 00, 3 00, a nd 40 0) nm , r especti vely .               Figure  4. The  re flect ivit y of   pl as m on i c bo wtie   nanoa nten na  at  1064 nm   Figure  5. Ele ct ric fiel d dist ri buti on at the  LS PR  fr e qu e ncy  of p l asm on ic  b owti e n a no a nten na   at  a  gap of  20  nm                               Figure  6. The  fa r - fiel d patt ern o f nan oa nten na  at dif fer e nt  distances;     (a)   100 nm , (b)  200 nm , ( c)  30 0 nm ,   (d )  40 0 nm     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       Th er ma l  resp onse  of skin  d ise as e d  ti ssu e  treated  by pla sm onic  na noante nna   ( Rash a H. Ma hd i )   2973   3.2.    S AR calc ulat i on   SA R  is  a  m easur e  of  el ect rom agn et ic   pow er  de ns it y  an d  su bse que nt  abs orptio n  of  el ec trom agn et ic   rad ia ti on a nd c onve rsion to  hea t by hum an  ti ssu e.  It is e xpr essed  a s  [ 23] .     SA R =  σ|E| 2 /2ρ   (1)     w he re:   σ = the  con du c ti vity  o f  the  ti ssu e - sim ulati ng   m at erial  ( S/ m )   E = the  total  R MS fiel d st rength ( V/m )   ρ = the m ass densit y of t issue - sim ulatin g  m at erial  ( kg/m 3 )   The  res on a nce   wav el en gth   1064  nm   was  detect ed  f or   the  desig n  na noante nn a  al on e  bu t  when     the  pro po se d  ti ssu e  is  expose d  to  the  anten na   at   diff ere nt  di sta nces,  the  es tim a te d  SA R  va lues  co uld   be  var i e d  du e   to  the   va ri at ion   in  t he  refl ect ivit y  and   he nce  in  t he  far   fiel d  patte r n.   Now,   t he  ir radi at ed  ti ssu e  by  bowtie   nanoa nten na  a t  diff e re nt  dist ances  (10 0,   200,  300,  an d  400)  nm   is  sh own  i n  Fi gure   7.   T he  var ia t ion   i n   the  re flect ivit y  of  the  desig ne d  a nte nna  is  stud ie d  f or  ev ery  distance .  Wh e re  th e  re flect ivit y  m easur ed  i s   ( - 15.33,   - 19.71,  - 27. 57,  a nd  - 43. 84)  dB  f or   t he  dista nc es  (10 0,   200,  300,   a nd  400)  nm   resp ect iv el y.  It  is  ob s er ved   that  the  detect ed  re f le ct ivit y  is  red   sh ift  sta rting   from   10 0  nm .  T he  m axi m u m   w avele ng t h  sh i ft  was   detect ed  at   a  distance  of   40 0  and   m a y  be  reached   to  the  resona nce  wa ve le ng th  at   a  certai n  distance  as  i n   Figure  8.   The   far   fiel d  distri bu ti on  i n  the   pro po se d  ti ss ue   at   dif fer e nt  distances  from   the  nanoa nten na  was  inv est igate d  w h ere  t he  m axi m u m   far - fiel d  m easur ed  is  (6. 87*10 7 ,  3.1 4*10 7 ,  2.42* 10 7 ,  a nd   2.1 5*10 7 )  V/m   fo r   the  distances  ( 100,   200,  30 0,  and   400)  nm   resp ect ively .  T he  fa r - fiel d  pa tt ern   f or  eve ry  distance  is  s hown   i n  Figure  9, w hic h  in dicat ed  tha t t he  fa r - fiel d d ecr eased  a s t he  d ist ance  inc re ased .                           Figure  7. Side   view o f  the  propo s ed  ti ssu e e xpose d t o plasm on ic   bowtie   na no a nten na  at  d i ff e ren t  distanc es;   (a)   100 nm , (b) 200 nm , ( c)  30 0 nm , ( d) 40 0 nm       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  10 , No .  3 ,  J une   2020   :    296 9   -   297 7   2974                   Figure  8. The  re flect ivit y of   pl as m on ic  bo wtie  n a no a nten na   at  d iffe re nt d ist ances  from  the tissue;    (a)   100 nm , (b) 200 nm , ( c)  30 0 nm , ( d) 40 0 nm                 Figure  9. The  fa r - fiel d patt ern in the  pr opos e d  ti ssu e  at di ff e ren t  distances;     (a)   100 nm , (b) 200 nm , ( c)  30 0 nm , ( d) 40 0  nm   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       Th er ma l  resp onse  of skin  d ise as e d  ti ssu e  treated  by pla sm onic  na noante nna   ( Rash a H. Ma hd i )   2975   Af te r  t he  re fle ct ivit y  and   the   far - fiel d  patte rn   a re  stu died ,   the  point  S A R  inside  the  propose d  ti ssu e   cou l d  be  est im at ed.   As  ( 1.9 2*10 11 ,  8.76* 10 10 ,  6.23* 10 10 ,   6.1 3*10 10 )  at   di sta nces  ( 100,  200,  30 0,   a nd  400)  nm   resp ect ively .  T he  cal culat ed  SA R  at   diff e re nt  distances  is  ob s er ved   in  Fi gure  10.  It  see m s   that  the  calcu la te d  SA R i s  dec reas ed wit h dist anc e.                       Figure  10. T he  calc ulate d p oin t S AR in  the  pro po se d  ti ss ue  at dif fer e nt  distances  from  the an te nna;     (a)   100 nm , (b) 200 nm , ( c)   30 0 nm , ( d) 40 0 nm       3.3.   Te mper ature c alcula tio n   The  ab sorptio n  of   power   fro m   el ect ro m agnet ic   fiel ds   caus es  a  tem per at ure  rise  in  ti ssue s.  The  high  le vels  of   a bsor bed   powe r  ca n  cause  ir rev e rs ible  ti ssu e  da m age.  The  te m per at ur e  co ul d  be  cal c ulate d  f ro m     the S AR esti m at io n values  r el at ed  to   ( 2)   [ 24 ] .     ΔT=  ( S AR   t )/ C   (2)     wh e re: -   T = the  tem per at ur e i n Kelvin  ( K )   t   = the tim e p erio d   C = t he  s pecifi c h eat   (J  /K . kg)   Fr om   the  ob ta ined  re su lt s  of   po int  S AR,  t he  te m per at ure  distrib ution   in   the  tum or   cou l d  be  cal c ulate d.   The  est im at ed  tem per at ur e  va riat ion   in   the  pro posed  ti ss ue  is  580  C o   at   100  nm ,  116  C o   at   200  nm ,  4  C o   at   300 nm  an d 0 C o   at  4 00  nm  r especti vely .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  10 , No .  3 ,  J une   2020   :    296 9   -   297 7   2976   4.   DISCU SSI ON   The  op ti cal   pl asm on ic   nano anten na  prov e s  high  a bili ty  to  dest ru ct   t he  tum or   ti ssue s  especial ly     the  cance r  cel ls  due  to  t hese  anten nas  a re  re garde d  as  a  ho t  po i nt  sourc e  wh ic h  m eans  that  the  desire d  ti ssu e   cou l d  be  destr oyed  without  aff ect in g  surr oundin g  h eal thy  ti ssu es.  O ur   pur po se  is  to  est i m at e  the  t her m al   distrib ution   in the  ti ssu e  at   diff ere nt  distance s  fr om   the  nanoan te nn a .  The  desig ne d  of  p la sm on ic   nan oa nt enn a   work i ng  in  ne ar - in fr a re d  is  directl y  influ e nced   by  dif fere nt  param et ers   (the  s hap e ,  th e  le n gth,  an d  t he  ga p  dim ension )   i n  ad diti on   t o  t he  m at erial   us ed  wh e re  the   resona nce  wavel eng th   play s  an  im po rtant  r ole  in    the  fiel d  e nh a ncem ent.  In  r ecent  work,  t he   bowtie   sh a pe   of  plasm on ic   na noante nn a   is  sel ect ed   be caus e     the sh ar p  ti ps  of the  bowtie  ant en na,  th e g r ou p  an d  phase ve locit ie s o f  surf ace plasm on ic   wav e s d ecrea s e w it h  the  distance  of   prop a gatio n  and   finall y  becom e  zero   at   the  sh ar p  ti ps   of  th e  bowtie   [25] .  The  ge ne rated  fiel d  cou l d  be  e nha nced  se ver al   orde r  of  m agn it ud e   in  t h e  ga p,  so  the   ga p  w idth  s houl d  be   sel ect ed  acc urat el y.     The  m axi m u m   nea r  fiel d  is  gen e rated   at   the  resona nce  wav el e ng t h.   T he  go l d  m et al   is  the  best  c hoic es  i n   the p la sm on ic   structu re i n  the  m edical  ap plica ti on s  for diffe ren t  reasons , n on - to xic m at eri al ,  anti o xid iz e d  a nd  work i ng  at   re so na nce  wa vel eng t h  530  nm.  The   opti cal   wav el e ng t h  giv es  a  highe r  intensit y  fiel d  wh i c h  represse d  a  good  s ource  t o  treat   the  tu m or   c el ls.  The  diele ct ric  m at erial   ( SiO 2 )   is  sel ect ed  to  af fect   the  wa velen gt h  s hift  in  the   resona n ce  w avelen gth .   It  i s  w or th   m entio ne d  her e  t ha t  the  interact ion   of    the  incide nt  fi el d  with  nanoa nten nas  is  a  nonlinea r  inte ra ct ion .  s o,   we  usual ly   exp ect e d  that  the  tw o - photon  abs orption  occ ur s   bec ause   of   the  res on a nce   wa velen gth  in  th e  NI R  re gi on ,   the   res on ance  wa velen gt h  of    the  go l d  ca nnot  be  ob ta in ed   unle ss  t he  t w o - phot on  ab sorptio n  ta kes  pl ace.  T he  res onance   wav el e ngth   is  ob ta ine d  a fter   diff e re nt  trie s  w her e  t he  a ff ect ed   pa ram et ers  (thic kn e s s,  ga p,   le ng t h,  width,  fla re  ang le )    are  va ried  m any  tim es.  Th e  m or e  eff ect ive   par am et er  in  the  de sig n  of  bowtie   na noa ntenn a  is  t he  ga p  wi dth .     It  is  us e fu l  t o  m ention  th at   the  va riat ion   of  e ver y   par am et er  eff ect s  directl y  on  the  oth e rs  s o,    the  com prom is at ion   betwee n  tho se   pa ram et e rs  s houl d  be  re garde d.   T he   tu m or   ti ssu e  dim ensio ns   a re  des ign e d  relat ed  to  t he  bowtie   na noan te nn a  ta ken   i n  to  acco unt  th ree  m ai n  factor s  the  posit ion  of   t he  tum or   inside     the  sk i n,   the  l ocati on   of  the   tum or   in  the   sk in  hu m an  body  an d  the  distance  betwe en  na noante nna  an d    the  tum or   cel l s.  It   is  obser ve d  that  the  dis ta nce  eff ect s  on  the  fiel d  rea chin g  to  the  ti ssu e  w he re  th e  fiel d  reduce d  wh e n  the  dista nce  i nc reased   w hic h  m eans  the  te m p  distribu ti on  in   the   ti ssu e   is  dec rease d  as  seen   la te r.   The  SAR   cal culat ion   for  dif fer e nt  cases  is  i m po rtant  to  est i m ate  the  tem per at ur e  distri bu ti on   in     the  ti ssu e.  T he  cal culat ed  res ul ts  of   the  S AR  pro ved   that  the   best  value  of   t he  S AR  is  the  cl os est   to  the  ti ssue   wh ic h  ca us es  t o  the   hi gh e r  te m per at ur e  ge ne rated  i n  the  ti ssu e,   kn ow i ng  that  the  res onance  wav el e n gt h  is   var ie d  relat ed   to  e ver y  distanc e  an d  does n' t  rep rese nt  the   be st.  The  cal c ulate d  S AR  in  t he  wav e guide  w hich  i s   us e d  in   this  res earch   is  hi gh e r   than   use d  by  [ 26 ] .  w hich   pro ves  t hat  N IR  r eso nan ce   wa ve le ng th   is  bette r   than   m illim e te r  wave re gion that  ge ner at es less  S AR.   The  m ai n  go al   of   the  c urre nt  r esearch  w ork  is  to  est i m at e  the  therm al   distri bu ti on  in  the  ti ssu e  w hich   is  inv est igate d  thr ough  t he  t e m per at ure  ca lc ulati on   i n  th e  ti ssu e  a nd  t he  reacti on  of   the  ti ssu e   a ga inst   plasm on ic   bowtie   nanoan te nn a .  The  est im at ed  patte rn   of   fa r  fiel d  di stribu ti on  in  the  ti ssu e  sho wed   that     the  distri bu ti on   of   fa r  fi el d  is  var ie d  de pe nd i ng   on  the   dista nce  f r om   the  anten na.   T he  m axim u m   tem pe ratur e   gen e rated  i n  th e  ti ssu e  unde r  the  ef fect  of   pla sm on ic   bo wtie   nanoa nten na  is  detect ed  at   a  distance  of  100  nm ,  wh ic h  giv es  a  cl ear  ind ic at io n  that  the  distance  from   bo wtie   nan oa nten na   In fl uen ces  on   the  distrib ution  fiel d  in the tiss ue  a nd  hens  on the  ge ner at e d  te m per at ur e .       5.   CONCL US I O N   The  te m per at ure  distri bu ti on   in  the  tum or   ti ssu e  at tract ed  m any  resear cher s  due  to  i ts  eff ect   on    the  destr uctio n  of   the  cance r  cel ls.  The  fiel d   co nf i nem ent   gen e rated  by  plasm on ic   bowtie   nanoan te nn a  was   the  m ai n  too l  to  de struc t  the   cance r  cel ls  l eavin g  t he  hea lt hy  ti ssu e  un a ff ect ed .   From   the  obta ine d  r esults,     we  ca n  c on cl ud e   that:   the  NI R  (10 64  nm )  reso na nce  wav el e ng t h  of  plasm on ic   bo wtie   na no a n te nn a   is   reco m m end ed  in  the  treat m ent  of   cance r  cel l  becau s e  highe r  intensit y  fiel d  is  ge ner at e d.  The  cl os e r  dis ta nce   to  the  nanoa nt enn a  gi ves  hi gh e r  te m per atu re  in  the  ti ssu e  w hich  re ga rd s  ov e r  the   al lowed   inc r easi ng  tem per at ur e  in t he  ti ssu e.       ACKN OWLE DGE MENTS     We  ap pr eci at e  the  effor ts  of  the  Insti tute  of   Laser  f or   P os tgra duat e  Stud i es,  Un i ver sit y  of   Ba gh dad,   Ba ghda d - Ir a q,   to s upport the  re search  wo rk.           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       Th er ma l  resp onse  of skin  d ise as e d  ti ssu e  treated  by pla sm onic  na noante nna   ( Rash a H. Ma hd i )   2977   REFERE NCE S    [1]   D.  P.  From m ,   A .   Sundara m urth y ,   P.  J.  Schuck ,   G.  Kino,   and  W .   E.   Moerne r ,   “ Gap - Depe nden t  o pti c al   coup li ng  of   single   ‘bowt ie ’   n anoa nt enna s r esona nt in  t h e  v isi ble , ”   Nano   Lett . ,   vol. 4, no. 5, pp. 957 – 961,   Ma y   2004.   [2]   P.  Mühlschle g el,  H. - J.   Ei sl er,  O .   J.   F.  Mar ti n,   B.   Hec h t,  and   D.  W .   Pohl ,   “ Resonant   op ti c al  ant enn as , ”  Scien ce ,    vol.   308 ,   no .   572 8,   pp .   1607 – 160 9,   Jun.   2005.   [3]   L.   Rogobete,   F.   Kam inski,   M.  Agio,   and  V.  Sandoghdar,   “ De sign  of  pla sm o nic   nanoa n te nn a e  for  e nhancing  spontane ous e m i ss ion, ”  Opt .   Let t.,  vol .   32 ,   no .   12 ,   pp.   1623 – 1625 ,   Jun.  2007.   [4]   A.  E.   Cet in ,   S.   Aks u,   M.  Tur km en,   D.  Et eza di,   and  H.  Alt ug,   “ The ore t ic a l   and  expe rimen ta l  an aly sis  of   subw av el engt h   b owtie - shape d   an t enna s,”   J .   El e ct r omagn.  Wav es  A ppl . ,   vol .   29 ,   no .   13,   pp .   1686 – 16 98,   Sep .   2015 .   [5]   B.   B.   Yous if  and   A.  S.  Sam ra,   “ Mo del ing  of  opt i ca l  n anoa nt ennas , ”   Phy si cs  Re se arch  Inte rnation al,   Ph ys.   R es.   Int .,  vol.   2012 ,   pp .   10 ,   2012 .   [6]   R.   M.  Ta ha  and  H.  A.  Jawad,   “ C har acte ri zation  o f  gold  coa ti ng  o n  nano  struct u re  CR39  pol y m er  a s  SERS   sensor,”   Iraqi  J. of l aser  part  A ,   vol .   17 ,   2 018.   [7]   P.  J.  Schuck ,   D.  P.  From m ,   A.  S undar amurth y ,   G.  S.  Kino,   and  W .   E.   Moern er,  “ Im proving  the   m ism at ch  bet we e n   li ght and  n anosc al e   objects  wi th gold  bowti e  n an oant enn as, ”   Phys .   Rev. Let t . ,   vol .   94,   no.   1,   p p .   01 7402,   Jan .   2005 .   [8]   N.  Yu,  E.   Cubu kcu,   L .   Dieh l ,   D.  Bour,   S.  Cor zi ne ,   J.  Zhu ,   G.   Höfle r,   K.  B.   Crozi er ,   and  F.  Capa ss o,   “ Bowtie   pla sm onic   quan t um   ca sca d e  l ase r   antenna , ”   Opt.   Ex press ,   vol .   15 ,   no.   20,   p p .   1327 2 – 13281,   Oct .   2 007.   [9]   D.  Hasan,  C.   P.  Ho,  P.  Pit cha pp a,   and  C .   Le e ,   “ Dipola r  r esona n ce   enha n ce m ent  and  m agne t ic  re sonanc e  in  cro ss - coupl ed   bow - tie  nanoa nt enna a rr a y   b y   p la sm oni c ca vi t y , ”   ACS   Ph otoni cs ,   vol .   2 ,   n o.   7 ,   pp .   890 – 89 8,   Jul.   2015.   [10]   D.  K.  Gram otne v,   A.  Pors ,   M.  W il latze n ,   an d  S.  I.   Bozhe v oln y i,   “ Gap - plas m on  nano ant enna s  and  bowti e   resona tors ,”   Ph y s.  Rev. B ,   vo l. 85 ,   no .   4 ,   p p .   0454 34,   Jan .   2012 .   [11]   P.  B.   Johns on  and  R.   W .   Christ y ,   “ Optic al   c onstant s  of  the   noble   m et al s,”   Phy s.  Re v .   B ,   vol.   6,   no.   12 ,     pp.   4370 – 4379 ,   Dec .   1972.   [12]   J.  Jee v ana ndam,   A.  B arh oum ,   Y.  S.  Ch an,  A.   Dufresne,  and   M.  K.  Danqu ah ,   “ Review  on  n anopa rt ic l es  and   nanostruc tur ed  m at eri a ls:  histo r y ,   source s ,   to xic ity   and  reg ula ti ons , ”  Be i lst ei n  J .   o f  nano te chno l ,   vo l.   9 ,     pp. 1050 - 1074,   Apr.  2018 .   [13]   L.   A .   Sordil lo,  S.  Prat avieir ,   Y.   Pu,  K.   S. - Ramire z ,   L .   Shi ,   L.  Z han g,   Y.   Budansk y ,   R.   R.   Alfa no ,   “ T hird  th era p eut i c   spec tral  windo w  for  dee p  ti s sue  imagi ng, ”   The  Inte rnation al  Societ y  for  Optic al  Engi ne ering ,   vol .   894 00,     pp.   89400V ,   Ma r.   2014 .   [14]   Y.  Gao  and  Y.  Li ,   “ Gold  nanostruc tur es  for  cance r  imaging  an d  the rap y , ”   in  Adv anc es  in  Nanothe ranos ti cs  I :  Design  and  Fab ricat ion  o f  Ther anosic  Nanopart ic l es ,   Z .   Da i,   Ed .   Ber li n,   Heid el b erg :  Spring er  Be rli n  Heid el b erg ,   pp.   53 – 101 ,   201 6.   [15]   L.   C.   Kenne d y ,   L.   R.   Bic kford ,   N.  A.  Le winski,   A.  J.  Coughli n,   Y.  Hu,  E.   S.  D a y ,   J.  L.   W est,   a nd  R.   A.  Drez ek,     “ A  new  era   for  c anc er  treatment :   gold - nanopa r ti c l e - m edi ated  t h er m al   the rap ie s, ”   Small  We inh  Ber gstr   Ger . ,   vol.   7,   no.   2 ,   pp .   169 – 1 83,   Jan .   2011 .   [16]   O.  Brzobohat y ,   M.  Sile r ,   J.   Tro je k,   L .   Chva ta l ,   V.  Kar ase k,   A.   Pata k ,   Z .   Poko rna ,   F.   Mika   an d  P.  Z emane k,     “ Thr ee - dimensio nal   opt ic a l  tr app ing  of  a  p la sm onic   nanop article   using  low  num eri c al   ape rtur e  o pti c al   twe ezers ,”   Sci .   R ep . ,   vol .   5 ,   pp.   8106 ,   Jan .   2 015.   [17]   A.  N.  Bashkat ov ,   E.   A.  Gen ina   a nd  V.  V.  Tuc hin ,   “ A  rev ie w:  opt ic a l  prope rt ie s  of  skin,  su bcut an eous,   and  m us cl e   ti ss ues, ”   J. of In novat i ve   Opt .   H e alt h  S ci en ce s ,   vo l.   4 ,   no .   1 ,   pp .   9 - 38,   Jan .   2011 .   [18]   A.N.  Bashka tov,  E. A .   Genin a,  V.I.  Kochube y ,   an d  V. V.  Tuc hin ,   “ Optic al   prop erties  of  hum an   ski n,   subcut ane ou s   and  m ucous  ti ssue s  in  the   wave l engt h  ran ge  fr o m   400   to  200 0 \ hspac e0. 167 emnm , ”   J.   Phy s.  Ap pl.   Phy s. ,   vol.   3 8,   no.   15 ,   pp .   2543 – 2555,   Jul.   2005 .   [19]   Y.  F.  Chau ,   H.   H.  Yeh,   and  D.   P.  Tsai,  “ A  new  t y p e  of  op tical  a nte nna :  pl asm onic s  nanoshe ll   bo wti e  an te nn a  wit h   die l ec tr ic hol e , ”   J.   Elec tromagn.   Wav es  App l . ,   vo l .   24 ,   no .   11 ,   pp .   1621 – 1632,   Jul.   2010.   [20]   M.  A.  Gat ea   an d  H.A.  Jawad ,   “ The rm opla sm onic   of  sing le   Au @S iO2  and  SiO2@ Au  cor e  shel l  nanoparti cl es  i n  dei oni ze d  w art e   and  pol y - v in y lp y rrol idone m at ri x, ”  Baghdad  S cienc e   J . ,   vol .   16 ,   no.   2 ,   2019 .   [21]   M.K.A.   Rahi m ,   M.Z . A.  Abdu l  Aziz   and  C. S.   Goh,  “ Bow - tie   m i cro strip  ant enn a  design, ”   13th  I E EE   Int ernati ona l  Confe renc e  on  Net works  Joi n tly  he ld  wi th  th e   2005  IE EE   7 t h  Malay sia   Int ernati onal  Con f   on  Comm unic ,    Kuala   Lumpur,  pp.   4 ,   2005 .   [22]   K.  Shurrab,   N.  Kocha ji,  and  W .   Bac hir,   “ Deve l opm ent   of  te m p era tur e  distri but i on  and  li ght  propa gation  m odel   in  biol ogical   ti ss ue   irra d ia t ed  b y   98 0  nm   la ser  d io de   and  using  coms ol  sim ula ti on , ”   J .   Las ers  Me d.   S c i . ,   vol .   8,   no.   3,   pp.   118 – 122 ,   Ju n.   2017 .   [23]   B.   M.  Hochwal d ,   D.  J.  Love,  S.  Yan,   and  J.  Jin,  “ SA R   code s,”   in   Information  Theory  and  Appl i c ati ons  Workshop   ( ITA ) ,   pp.   1 – 9 ,   2 013.   [24]   A.  H.  Sall om i,   “A  the ore tical   ap proa ch  for  SA R  ca l cul a ti on  in  hu m an  hea d  expose d  to  RF   signal s , ”   J.   of  Eng .   and   Dev . ,   vol .   16 ,   no .   4 ,   pp .   304 - 313 ,   Dec .   2012 .   [25]   G.  Ja y aswa l,   A.  Bel kadi,  A.  Mer edov,   B.   Pel z,   G .   Moddel  and  A.   Sham im,  “A  Ze ro - Bia s,  comple t ely   passive  28  THz   re ct enn a  for  ene rg y   h ar vesti ng  from   i nfra red   (wast e   hea t) , ”  IEEE / MTT - S  Int.   Mi crow.   Symp. - I MS ,    pp.   355 – 358 ,   20 18.   [26]   T.   Ham ed  and  M.  Maqsood,  “ S AR  ca lc u la t ion  &   te m per a ture   r esponse  of  hum an  bod y   exposure   to  elec tromagn e ti c   rad iations  a t  28 ,   40  and  60   GH z m m   wave   fre que nci es, ”   Prog.   Elec tromagn. Res.   M ,   vol .   73 ,   pp .   4 7 - 49 ,   2018 .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.