Loading [MathJax]/jax/output/HTML-CSS/jax.js

Оптичне поглинання нанокомпозитом зі сферичними гібридними наночастинками

А. В. Коротун1,2, Н. А. Смирнова1, I. М. Тітов3, Г. М. Шило4

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