Вибір моделі дилектронічності на основі розмірного та квантово-розмірного ефекту в плівках золота
Анотація
У статті досліджено оптичні властивості наноструктур, що містять наночастинки золота різного радіусу. Ми досліджуємо радіус частинки як критерій для вибору моделі діелектричної проникності, спрямованої на опис спектрів оптичного поглинання гранул золота. Експерименти показали розщеплення смуги поглинання гранульованих плівок золота з утворенням другого піку поглинання. Перший пік пов'язаний з явищем плазмонного резонансу, а другий відображає квантову гібридизацію енергетичних рівнів у золоті. Було показано, що квантові ефекти переважають над розмірними при діаметрі гранул приблизно 5-6 нм. Теорія Мі дає строгий розв'язок для розсіяного електромагнітного поля на сфері з урахуванням оптичних властивостей останньої, однак не визначає критеріїв вибору моделі для розрахунку діелектричної проникності. І розрахунки, і експерименти підтвердили граничний діаметр наночастинок золота, де застосована модель Хампе-Шкляревського. Тим часом ця модель все ще не могла передбачити розщеплення смуги поглинання. Наведені в статті дані можуть бути використані для заданого локального підсилення поля в композитних середовищах, що складаються з біошару та металевих наночастинок. Проведені дослідження дозволяють глибше зрозуміти вплив локалізованого в просторі електромагнітного поля високої інтенсивності терагерцового діапазону на квантові точки.
Завантаження
Посилання
M. Born, and E. Wolf, Principles of optics: electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light. (Elsevier, 2013).
D. Landau, and E.M. Lifshitz, Electrodynamics of continuous media, vol. 8. (Elsevier, 2013).
M. Nic, et al., IUPAC Compendium of chemical terminology: the gold book. (International Union of Pure and Applied Chemistry, 2005).
Saidi, A., SAIJA, R., IATÌ, M. A., & CRUPI, V. Analytical and Numerical Approaches for Light Scattering by Nanostructured Materials (2023). https://iris.unime.it/retrieve/a22741dc-0562-4982-a0d6-9e10c68db133/Tesi_dottorato_Saidi.pdf
H.C. Hulst,and and H.C. van de Hulst, Light scattering by small particles. (Courier Corporation, 1981).
R. Gross, and A. Marx, Solid State Physics. (Oldenbourg Wissenschaftsverlag Verlag, 2012).
Snoke, D. W. Solid state physics: Essential concepts. (Cambridge University Press 2020).
Tao, L., Deng, S., Gao, H., Lv, H., Wen, X., & Li, M. Experimental investigation of the dielectric constants of thin noble metallic films using a surface plasmon resonance sensor. Sensors, 20(5), 1505 (2020). https://doi.org/10.3390/s20051505
J.Cl. Maxwell-Garnett, “XII. Colours in metal glasses and in metallic films,” Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical or Physical Character, 203, 385-420 (1904).
R. Ruppin, “Evaluation of extended Maxwell-Garnett theories,” Optics communications, 182(4-6), 273-279 (2000). https://doi.org/10.1016/S0030-4018(00)00825-7
Liu, N., & Jin, Y. Q. A discussion on the effective permittivity of multi-component medium derived by Maxwell–Garnett, strong fluctuation and quasicrystalline-CP modeling. Waves in Random and Complex Media, 31(6), 1921-1930 (2021). https://doi.org/10.1080/17455030.2020.1711991
E. Dobierzewska-Mozrzymas, “Optical Anomalies of Metallic Island Films,” Opt. Appl. 15(2), 187-200 (1985).
Krasavin, A. V. A brief review on optical properties of planar metallic interfaces and films: from classical view to quantum description. Journal of Physics: Photonics, 3(4), 042006 (2021). https://doi.org/10.1088/2515-7647/ac2569
U. Kreibig, and M. Vollmer, Optical properties of metal clusters, Vol. 25. (Springer Science & Business Media, 2013).
W. Hampe, “Beitrag zur Deutung der anomalen optischen Eigenschaften feinstteiliger Metallkolloide in großer Konzentration,” Z. Physik, 152, 476–494 (1958). https://doi.org/10.1007/BF01327751
I.N. Shklyarevskii, and T.I. Korneeva, “Optical Constants of Silver Thin Films,” Optics and Spectroscopy, 31, 144 (1971).
I.N. Shklyarevskii, Y.Y. Bondarenko, and N.A. Makarovskii, Plasma resonance in granular gallium films deposited on rough NACl and KCl single-crystal surfaces. Opt. Spectrosc. 88, 547-550 (2000). https://doi.org/10.1134/1.626836
H.R.P.H. Ehrenreich, and H.R. Philipp, “Optical properties of Ag and Cu,” Physical Review, 128(4), 1622 (1962). https://doi.org/10.1103/PhysRev.128.1622
I.N. Shklyarevskii, V.K. Miloslavskiy, and O.N. Yarovaya, “Effect of interband transitions on low-frequency plasma resonance in small metal spheres,” Optica i Spectroscopiya, 46(2), 303-309 (1979). (in Russian)
Zheng, Yu, et al. “Optical properties of colloidal gold nanoparticles implemented into a subsurface layer of fused silica,” Ukr. J. Phys. Opt 18(2), 102-108 (2017). https://doi.org/10.3116/16091833/18/2/102/2017
S. Adachi, Handbook on Optical Constants of Metals, The: In Tables and Figures, (World Scientific, 2012).
N.W. Ashcroft, and N.D. Mermin, Solid state physics, (Holt, Rinehart and Winston, 1976).
Galsin, J. S. Solid state physics: An introduction to theory, (Academic Press, 2019).
Schiller, R., & Horváth, Á. Specific heat of metals and standard electrode potentials. AIP Advances, 12(5) (2022). https://doi.org/10.1063/5.0082443
J.M. Ziman, “Electrons in metals: A short guide to the fermi surface,” Contemporary Physics, 4(2), 81-99 (1962). https://doi.org/10.1080/00107516208201722
A. Cirri, Surface Chemical Control over the Valence Electronic Structure of Gold Nanoparticles. (The Pennsylvania State University, 2016).
K. Kolwas, and A. Derkachova, “Impact of the interband transitions in gold and silver on the dynamics of propagating and localized surface plasmons,” Nanomaterials, 10(7), 1411 (2020). https://doi.org/10.3390/nano10071411
N.W. Ashcroft, and N.D. Mermin, Solid state physics, (Cengage Learning, 2022).
Wang, L., Hasanzadeh Kafshgari, M., & Meunier, M. Optical properties and applications of plasmonic‐metal nanoparticles. Advanced Functional Materials, 30(51), 2005400 (2020). https://doi.org/10.1002/adfm.202005400
I.N. Shklyarevskii, N.A. Makarovskii, and A.P. Silka, “Nature of the high-frequency plasma resonance band of granular silver films deposited onto a zinc sulfide sublayer,” Optics and Spectroscopy, 68(4), 531-533 (1990). (in Russian)
J. Wan, K.S. Beloshenko, M. Makarovskiy, I. Riabenko, S. Shulga and S. Prokhorenko, “Resonance light absorption of granular aluminum and silver films placed on a rough sublayer of multilayered ZnS,” Ukr. J. Phys. Opt. 20(1), 11 (2019). http://ifo.lviv.ua/journal/UJPO_PDF/2019_1/0201_2019.pdf
A.S. Kupriianov, V.V. Khardikov, K. Domina, S.L. Prosvirnin, W. Han, and V.R. Tuz, “Experimental observation of diffractive retroreflection from a dielectric metasurface,” Journal of Applied Physics, 133(16), 163101 (2023). https://doi.org/10.1063/5.0145338
A. Sayanskiy, A.S. Kupriianov, S. Xu, P. Kapitanova, V. Dmitriev, V.V. Khardikov, and V.R. Tuz, “Controlling high-Q trapped modes in polarization-insensitive all-dielectric metasurfaces,” Phys. Rev. B, 99(8), 085306 (2019). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.085306
Авторське право (c) 2023 Юлія Рябенко, Сергій Шульга, Микола Макаровський, Костянтин Білошенко
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
