Кінетична теорія поверхневого плазмонного резонансу в металевих наночастинках
Анотація
В останні роки зріс інтерес до вивчення оптичних властивостей металічних наноструктур. Цей інтерес в першу чергу пов’язаний з можливістю практичного застосування таких наноструктур в квантових оптичних комп’ютерах, мікро- та наносенсорах. В основі цих застосувань лежить фундаментальний оптичний ефект збудження поверхневих плазмонів. Наслідком цього явища є поверхневий плазмонний резонанс (ППР) – зростання перерізу поглинання енергії металевою наночастинкою при наближенні частоти падаючого світла (лазерного випромінювання) до частоти ППР наночастинки. Плазмонні структури використовуються для покращення коефіцієнту корисної дії (ККД) тонкоплівкових СЕ. В таких структурах металеві наночастинки перш за все можуть виконувати роль додаткових розсіюючих елементів для довгохвильової складової сонячного світла, що освітлює СЕ. Будучи колективним явищем, ППР може бути описаний з застосуванням кінетичних підходів, тобто з використанням кінетичного рівняння Больцмана для електронів провідності металевих наночастинок.
В даній роботі побудовано теорію ППР, що базується на кінетичному рівнянні для електронів провідності наночастинок. Перевага такого підходу полягає в тому, що отримані результати можна застосувати до сильно анізотропних сфероїдальних (голкоподібних або дископодібних) металевих наночастинок, а у випадку наночастинок сферичної форми вони перетворюється на добре відомі результати, що випливають з теорії Друде-Зоммерфельда. По-друге, кінетичний метод дозволяє досліджувати металеві наночастинки з розмірами, більшими або меншими від середньої довжини вільного пробігу електрона. Розроблена теорія застосована для розрахунку тензору оптичної провідності для сфероїдальних металічних наночастинок. Показано, що вплив асиметрії наночастинки на відношення компонент тензора оптичної провідності не тільки кількісно, але і якісно відрізняється в високочастотному та низькочастотному поверхневому розсіюванні. Знайдено, що в металевих наночастинках, які знаходяться в діелектричній матриці, в умовах ППР повна ширина лінії ППР в сферичній металевій наночастинці залежить як від радіусу частинки, так і від частоти збуджуючого цей ППР електромагнітного (лазерного) випромінювання. Показано, що в металевих наночастинках можуть спостерігатися осциляції ширини лінії ППР зі зміною діелектричної проникності середовища, в якому вони знаходяться. Величина цих осциляцій тим більша, чим менший розмір наночастинки і значно зростає зі збільшенням . Із зростанням радіусу сферичної наночастинки ширина лінії ППР суттєво зменшується і осилює навколо певної сталої величини в середовищах з більшим значенням діелектричної проникності.
Посилання
1. Maier S. A. Plasmonics: Fundamentals and Applications.( NY: Springer, New York, 2007) https://doi.org/10.1007/0-387-37825-1
2. Noguez C. Surface Plasmons on Metal Nanoparticles: The Influence of Shape and Physical Environment. J. Phys. Chem. C. 2007. 111(10): 3806-3819. https://doi.org/10.1021/jp066539m
3. Jeffrey N . A., Hall W.P., Lyandres O., Shah N. C. , Zhao J., Van Duyne R. P. Biosensing with plasmonic nanosensors. Nat. Mater. 2008. 7 6): 442-452. https://doi.org/10.1038/nmat2162
4. Atwater H., Polman A. Plasmonics for improved photovoltaic devices. Nature materials. 2010. 9: 205-230. https://doi.org/10.1038/nmat2629
5. Tomchuk P. M., Tomchuk B. P. Optical absorption of small metal particles. ZhETF. 1997. 112(3): 661 - 678.
6. Messinger B. J., von Raben K. U., Chang R. K., Barber P. W. Local fields at the surface of noble-metal microspheres. Phys. Rev. B. 1981. 24: 649-657. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.24.649
7. Semchuk O.Yu., Havryliuk O.O., Biliuk A.A. Suppression of laser energy by metal nanoparticles in the minds of plasmon resonance. Surface. 2019 . 11(26): 496-507. https://doi.org/10.15407/Surface.2019.11.496
8. Petrov Yu.I. Small particle physics.( Moscow: Mir, 1986).
9. Boren K., Huffman D. Absorption and scattering of light by small particles. ( Moscow: Mir, 1986).
10. Molina R.A., Einnman D.W., Jalambert R.A. Oscillatory size dependence of the surface plasmon linewidth in metallic nanoparticles. Phys.Rev. B . 2002 . 65: 155427. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.65.155427
11. Yannouleas C., Broglia R.A. Landau damping and wall dissipation in large metal clusters. Ann.Phys. (NY). 1992. 217:105. https://doi.org/10.1016/0003-4916(92)90340-R
12. Dykman I.M., Tomchuk P.M. Transport phenomena in semiconductors and fluctuations. (Kyiv: Naukova dumka, 1981)
13. Berezkina S.V., Kuznetsova I.A., Yushkanov A.A. On the question of magnetic dipole absorption of electromagnetic radiation by a small conductive particle . Journal of Technical Physics. 2004. 74(12): 67-41. https://doi.org/10.1134/1.1841411
14. Grigorchuk N.I., Tomchuk P.M. Optical and transport properties of spheroidal metal nanoparticles with account for the surface effect. Phys.Rev. B. 2011. 84:P. 085448-1 - 085448-14 https://doi.org/10.1103/PhysRevB.84.085448
15. Tihay F. Effect of Fischer-Tropsh synthesis on the microstructure of Fe-Co-based metal / spinel composite vaterials. Appl.Cat.Gen. 2001. 1(206): 29-42. https://doi.org/10.1016/S0926-860X(00)00595-0
16. Link S., El-Sayed M.A. Alloy formation of gold-silver nanoparticles and their dependence of the plasmon absorption on their composition. J.Phys.Chem. B. 1999. 18(103): 3529-3533. https://doi.org/10.1021/jp990387w
