X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Современная тенденция к миниатюризации показала, что любое вещество может иметь уникальные свойства, если взять мельчайшую частицу данного вещества. Частицы,имеющие размер от 1 до 100 нанометров, обычно называют наночастицами.

Использование плазмонных эффектов в наноразмерной области позволило объединить наноэлектронику и нанофотонику и создать то, что сейчас называют наноплазмоникой. Наноплазмоника одновремённо использует электроны, генерирующие плазмоны, и фотоны, взаимодействующие с электронами и, соответственно, с плазмонами. В настоящее время наноплазмонные частицы являются объектом многочисленных исследований, производство которых является на сегодняшний день актуальной в связи с развитием технологий, например, изготовление биологических сенсоров, полосовых задерживающих фильтров [1], [2].

Цель данной работы заключается в исследовании частотной зависимости диэлектрической проницаемости металла и изучении влияния концентрации нановключений на эффективную диэлектрическую проницаемость композитной среды. Наличие поверхностного плазмонного резонанса на границе раздела металлических нановключений и диэлектрической матрицы приводит к появлению резонансных особенностей, положением которых можно управлять.

Рассмотрим композитную среду, которая содержит матрицу из стекла и металлических включений сферической формы из металла серебра. При этом металлические нановключения расположены хаотично в стеклянной матрице.Диэлектрическая проницаемость отдельных металлических включений рассчитывалась в рамках модели Друде. Эффективную диэлектрическую проницаемость композитной среды можно рассчитать по формуле Максвелла-Гарнета[3]:

(1)

где - диэлектрическая проницаемость включений (металл);

- диэлектрическая проницаемость матрицы;

f - фактор заполнения частиц, который определяет объемную долю включений.

Приведем результаты расчетов диэлектрической проницаемости композитной среды из стекла, содержащей серебряные включения для разных значений фактора заполнения f(см. рисунок 1).

 

’_eff()

, рад/с

1

2

3

 

Рис. 1 – График зависимости действительной части диэлектрической проницаемости композитной среды от частоты. Включения сферической формы из серебра. Кривая 1: фактор заполнения f=0,1, кривая 2: f=0,2, кривая 3: f=0.3

”_eff()

 

 

, рад/с

1

2

3

 

Рис. 2 – График зависимости мнимой части диэлектрической проницаемости композитной среды от частоты. Включения сферической формы из серебра. Кривая 1: фактор заполнения f=0,1, кривая 2: f=0,2, кривая 3: f=0,3

Из рисунка 1 видно, что эффективная диэлектрическая проницаемость композитной среды носит резонансный характер. Резонанс наблюдается на частоте, соответствующей частоте поверхностного плазмонного резонанса на границе раздела диэлектрик (стекло)-металл (серебро). Однако в композитной среде частота поверхностного плазмонного резонанса зависит также и от концентрации включений.Рассмотрим поведение мнимой части эффективной диэлектрической проницаемости (рис.2).По расчетам видно, что при частотах, далеких от частоты плазмонного резонанса мнимая часть эффективной диэлектрической проницаемости мала, что соответствует тому, что затухание в композитной среде мало, и волна проходит сквозь данную среду. При приближении к частоте поверхностного плазмонного резонанса наблюдается резкий рост мнимой части эффективной диэлектрической проницаемости. Это соответствует росту потерь в среде при распространении электромагнитной волны. Потери наблюдаются из-за того, что энергия электромагнитной волны переходит в энергию возникающего поверхностного плазмона.

Заключение.

Работа посвящена исследованию и расчету электродинамических характеристик композитных сред, содержащие наноплазмонные частицы.

Рассмотрена композитная среда, содержащая сферические металлические нановключения без оболочки. Приведены результаты расчетов эффективной диэлектрической проницаемости композитной среды в рамках формализма Максвелла-Гарнетта. Показано, что положение максимума плазмонного резонанса существенным образом зависит от концентрации наночастиц.

Литература

Радаева, О. В. Свойства и применение наночастиц [Электронный ресурс] / О. В. Радаева, М. В. Головкина // VIII Международная студенческая электронная научная конференция Студенческий научный форум» :конф. – Самара, 2016. – 3с. – Режим доступа: https://www.scienceforum.ru/2016/1511/16990/, свободный.- Загл. с экрана.

Внукова, Н.Г. учебное пособие Наноматериалы и нанотехнологии [Текст] : учеб.пособие для вузов / Н.Г. Внукова, Г.Н. Чурилов - Красноярск: СФУ, 2007. - 103с.: рис., табл., ил. - (Учебное пособие).

Stockman, M.I.Optical Properties of PlasmonicNanosystems[Текст] / M.I.Stockman // Department of Physics and Astronomy, Georgia State University, Atlanta, Georgia 30303, USA

Код для цитирования: Скопировать