Оптичне поглинання нанокомпозитом зі сферичними гібридними наночастинками

А. В. Коротун$^{1,2}$, Н. А. Смирнова$^{1}$, I. М. Тітов$^{3}$, Г. М. Шило$^{4}$

$^{1}$Національний університет «Запорізька політехніка», вул. Жуковського, 64, 69063 Запоріжжя, Україна
$^{2}$Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України, бульв. Академіка Вернадського, 36, 03142 Київ, Україна
$^{3}$UAD Systems, вул. Олександрівська, 84, 69002 Запоріжжя, Україна
$^{4}$Запорізький національний університет, вул. Жуковського, 66, 69600 Запоріжжя, Україна

Отримано: 24.01.2023; остаточний варіант - 28.02.2023. Завантажити: PDF

Досліджено оптичні властивості композитів діелектрична матриця–шарувата частинка-включення зі структурою «металеве ядро–оболонка J-аґреґату». Проведено розрахунки частотних залежностей діелектричних функцій шаруватих наночастинок, а також ефективної діелектричної функції та коефіцієнта поглинання композитів у рамках класичного та розмірноскориґованого моделів ефективного середовища Максвелл-Ґарнетта. Показано, що в досліджуваних композитних наночастинках збуджуються одна екситонна та дві гібридні плазмон-екситонні моди. Пояснено природу осциляцій дійсної й уявної частин діелектричної функції шаруватих частинок в інфрачервоній області частот. Побудовано наближений аналітичний модель для визначення частот гібридних плазмон-екситонних резонансів і встановлено, що ці частоти істотно залежать від вмісту металу в наночастинці. Знайдено умову, за якої перший максимум уявної частини діелектричної функції наночастинки потрапляє в інфрачервоний діяпазон спектру. Показано, що частоти гібридних мод нанокомпозиту істотно залежать від розмірів ядра й оболонки, а третій максимум уявної частини ефективної діелектричної функції знаходиться в ультрафіолетовому діяпазоні частот. Доведено, що розмірна корекція моделю Максвелл-Ґарнетта має сенс лише для дослідження частотних залежностей коефіцієнта поглинання наноком-позиту, а ріжниця в результатах розрахунку ефективної діелектричної функції є незначною. Простежено зміни амплітуди та положень максимумів уявних частин діелектричних функцій частинок і композиту та коефіцієнта поглинання, а також кількости їх зі зміною розмірів і матеріялів ядра й оболонки частинок-включень. Встановлено, що зі зме-ншенням вмісту металу в частинці-включенні має місце зближення максимумів коефіцієнта поглинання композиту, а зі збільшенням — навпаки, віддалення.

Ключові слова: наближення ефективного середовища, оптичні властивості нанокомпозитів, гібридні плазмон-екситонні резонанси, коефіцієнт поглинання, ефективна діелектрична функція, сферичні гібридні наночастинки, J-аґреґат.

URL: https://mfint.imp.kiev.ua/ua/abstract/v45/i05/0569.html

PACS: 71.35.Aa, 71.45.Gm, 73.20.Mf, 78.67.Bf, 78.67.Sc, 81.07.Pr, 82.35.Np


ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА
  1. V. Klimov, Nanoplasmonics (Jenny Stanford Publishing: 2013). Crossref
  2. M. Sanchez-Dominguez and C. Rodriguez-Abreu, Nanocolloids: A Meeting Point for Scientists and Technologists (Amsterdam: Elsevier: 2016). Crossref
  3. M. Ruiz, Mathematical Analysis of Plasmonics Resonances for Nanoparticles and Applications. Plasmas (Université Paris Sciences et Lettres: 2017).
  4. A. Moradi, Canonical Problems in the Theory of Plasmonics. From 3D to 2D Systems (Springer-Verlag: 2020). Crossref
  5. А. О. Коваль, А. В. Коротун, Ю. А. Куницький, В. А. Татаренко, І. М. Тітов, Електродинаміка плазмонних ефектів у наноматеріалах (Київ: Наукова думка: 2021).
  6. М. Л. Дмитрук, С. З. Малинич, Український фізичний журнал. Огляди, 9, № 1: 3 (2014).
  7. V. Amendola, R. Pilot, M. Frasconi, O. M. Maragò, and M. A. Iatì, J. Phys. Condens. Matter., 29, No. 20: 03002 (2017). Crossref
  8. С. И. Покутний, С. Д. Петренко, Д. А. Старовойтов, Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології, 10, № 4: 869 (2012).
  9. А. О. Коваль, А. В. Коротун, А. А. Крючин, В. М. Рубіш, В. В. Петров, І. М. Тітов, Нанофотонні технології. Сучасний стан і перспективи (Ужгород: ФОП Сабов А. М.: 2019).
  10. N. Karak, Nanomaterials and Polymer Nanocomposites (Amsterdam: Elsevier: 2019). Crossref
  11. Ch. M. Hussain, Handbook of Polymer Nanocomposites for Industrial Applications (Amsterdam: Elsevier: 2021).
  12. S. K. Swain and M. Jawaid, Nanostructured Polymer Composites for Biomedical Applications (Amsterdam: Elsevier: 2019).
  13. L. R. P. Kassab, S. J. L. Ribeiro, and R. Rangel-Rojo, Nanocomposites for Photonic and Electronic Applications (Amsterdam: Elsevier: 2020).
  14. Ch. Paquet and E. Kumacheva, Mater. Today, 11, No. 4: 48 (2008). Crossref
  15. M. Magnozzi, Y. Brasse, T. A. F. König, F. Bisio, E. Bittrich, A. Fery, and M. Canepa, ACS Appl. Nano Mater., 3, No. 2: 1674 (2020). Crossref
  16. Q. Zhao, W.-J. Zhou, Y.-H. Deng, Y.-Q. Zheng, Z.-H. Shi, L. Kee Ang, and Z.-K. Zhou, J. Phys. D: Appl. Phys., 55, No. 2019: 203002 (2022). Crossref
  17. J. Bellesa, C. Bonnand, J. C. Plenet, and J. Mugnier, Phys. Rev. Lett., 93, No. 3: 036404 (2004). Crossref
  18. C. Bonnand, J. Bellessa, and J. C. Plenet, J. Non-Crystalline Solids, 352, Iss. 9–20: 1683 (2006). Crossref
  19. C. Symonds, C. Bonnand, J. C. Plenet, A. Bréhier, R. Parashkov, J. S. Lauret, E. Deleporte, and J. Bellessa, New J. Physics, 10, No. 6: 065017 (2008). Crossref
  20. N. I. Cade, T. Ritman-Meer, and D. Richards, Phys. Rev. B, 79, No. 24: 241404 (2009).
  21. N. Kometani, M. Tsubonishi, T. Fujita, K. Asami, and Y. Yonezawa, Langmuir, 17, No. 3: 578 (2001). Crossref
  22. T. Uwada, R. Toyota, H. Masuhara, and T. Asahi, J. Phys. Chem. C, 111, No. 4: 1549 (2007). Crossref
  23. V. S. Lebedev, A. S. Medvedev, D. N. Vasil’ev, D. A. Chubich, and A. G. Vitukhnovsky, Quant. Electron., 40, No. 3: 246 (2010). Crossref
  24. T. Sato, F. Tsugawa, T. Tomita, and M. Kawasaki, Chem. Lett., 30, No. 5: 402 (2001). Crossref
  25. J. Hranisavljevic, N. M. Dimitrijevic, G. A. Wurtz, and G. P. Wiederrecht, J. Am. Chem. Soc., 124, No. 17: 4536 (2002). Crossref
  26. G. A. Wurtz, J. Hranisavljevic, and G. P. Wiederrecht, J. Microsc., 210, No. 3: 340 (2003). Crossref
  27. G. P. Wiederrecht, G. A. Wurtz, and J. Hranisavljevic, Nano Lett., 4, No. 11: 2121 (2004). Crossref
  28. G. P. Wiederrecht, G. A. Wurtz, and A. Bouhelier, Chem. Phys. Lett., 461, Iss. 4–6: 171 (2008). Crossref
  29. V. S. Lebedev, A. G. Vitukhnovsky, and A. Yoshidaetal, Colloids Surf. A, 326, No. 3: 204 (2008). Crossref
  30. J. Zhang and J. R. Lakowicz, J. Phys. Chem. B, 109, No. 18: 8701 (2005). Crossref
  31. A. S. Medvedev and V. S. Lebedev, Bullet. Lebedev Phys. Institute, 37, No. 6: 177 (2010). Crossref
  32. V. S. Lebedev and A. S. Medvedev, Quant. Electron., 42, No. 8: 701 (2012). Crossref
  33. J. C. Maxwell Garnett, Proc. R. Soc. London A, 76, No. 511: 370 (1905). Crossref
  34. O. Levy and D. Stroud, Phys. Rev. B, 56, No. 13: 8035 (1997). Crossref
  35. А. В. Коротун, А. О. Коваль, В. В. Погосов, Український фізичний журнал, 66, № 6: 518 (2021). Crossref
  36. N. A. Smirnova, R. O. Malysh, A. V. Korotun, V. I. Reva, and I. M. Titov., J. Nano- Electron. Phys., 13, No. 5: 05010 (2021). Crossref
  37. А. В. Коротун, А. О. Коваль, В. І. Рева, Журнал фізичних досліджень, 23, № 2: 2604 (2019). Crossref
  38. R. Ruppin, Opt. Commun., 182, Iss. 4–6: 273 (2000). Crossref
  39. B. I. Shapiro, Russian Chem. Rev., 75, No. 5: 433 (2006). Crossref
  40. Т. Х. Джеймс, Теория фотографического процесса (Ленинград: Химия: 1980).
  41. Б. И. Шапиро, Теоретические начала фотографического процесса (Москва: Эдиториал УРСС: 2000).
  42. E. McRae and M. Kasha, J. Chem. Phys., 28, No. 4: 721 (1958). Crossref
  43. M. Kasha, Physical Processes in Radiation Biology (New York: Academic Press: 1964).
  44. B. I. Shapiro, Nanotechnol. Russ., 3: 743 (2008). Crossref
  45. T. Kobayashi, J-Aggregates (Singapore–New Jersey–London–Hong Kong: World Scientific: 1996).
  46. N. I. Grigorchuk and P. M. Tomchuk, Phys. Rev. B, 84: 085448 (2011). Crossref
  47. Н. А. Смирнова, А. В. Коротун, І. М. Тітов, Металлофиз. новейшие технол., 44, № 5: 587 (2022). Crossref
  48. G. A. Korn, T. M. Korn, Mathematical Handbook for Scientists and Engineers: Definitions, Theorems, and Formulas for Reference and Review (New York: Dover Publications, Inc: 2000).