WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 10 07 Инверсия поглощения и рассеяния при плазмонном резонансе в наночастицах с металлической оболочкой © А.И. Сидоров Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова, 199034 Санкт-Петербург, Россия e-mail: aisidorov@newmail.ru (Поступило в Редакцию 13 декабря 2005 г.) Представлены результаты численного моделирования оптических свойств сферических наноструктур, состоящих из диэлектрического ядра с поглощением (усилением) и металлической оболочки в условиях плазмонного резонанса. Показано, что уменьшение поглощения в ядре приводит к увеличению сечений поглощения и рассеяния наноструктуры в спектральной области плазмонного резонанса. При наличии в ядре усиления возникает дополнительный резонанс, сопровождающийся изменением характера зависимости сечений поглощения и рассеяния от коэффициента усиления. Рассмотрены условия возникновения такого резонанса.

PACS: 78.67.-n Композитные среды с наночастицами благородных Данная работа посвящена изучению влияния поглометаллов представляют большой практический интерес щения (усиления) в ядре сферической наноструктупри разработке быстродействующих оптических пере- ры типа ядро-оболочка на оптические характеристиключателей [1,2]. Линейные и нелинейные оптические ки плазмонного резонанса. Рассмотрены наноструктусвойства таких сред определяются плазмонным резонан- ры, размер которых много меньше длины волны, но сом металлических наночастиц и свойствами прозрач- больше радиуса экситона. Это позволяет пренебречь ной матрицы. При наличии у наночастицы внутренней квантово-размерными эффектами в наноструктуре. При структуры, например диэлектрического ядра, появляют- численном моделировании не учитывались спектралься дополнительные возможности управления ее оптиче- ная дисперсия коэффициента поглощения (усиления) и скими свойствами — спектральным положением плаз- изменение показателя преломления. Указанные допущемонного резонанса и характером оптического отклика ния позволяют четко выделить непосредственный вклад на внешнее воздействие. Это объясняет большое количеизменения коэффициента поглощения в модуляцию опство экспериментальных и теоретических исследований тических характеристик наноструктуры при плазмонном таких наноструктур в последние годы [3–5].

резонансе.

При изучении нелинейно-оптических свойств наноСечения поглощения и рассеяния наночастицы с обоструктур с диэлектрическим ядром и металлической лочкой описываются следующими выражениями [11]:

оболочкой, как правило, учитывается либо нелиней 82 hrная восприимчивость металлической оболочки [3], лиs a = Im(), (1) бо нелинейная добавка к показателю преломления ма териала ядра [5]. В то же время в полупроводни1285hrs ках и диэлектриках существует целый ряд нелинейноs = ||2. (2) оптических эффектов, приводящих к изменению коэффициента поглощения, которые могут быть использованы Здесь — поляризуемость наночастицы для управления оптическими свойствами нанострукs a - hb тур ядро-оболочка. Такие эффекты можно разделить =, a = c(3 - 2P) +2s P, s a + 2hb на две группы. К первой относятся эффекты, сопровождающиеся увеличением коэффициента поглощения b = c + c(3 - P), (3) при увеличении интенсивности излучения: двухфотонrc ное поглощение, светоиндуцированный фазовый переход P = 1 -, (4) полупроводник-металл [6], обратное насыщающееся по- rs глощение [7]. Ко второй — эффекты, при которых h, c, s — диэлектрическая проницаемость среды, ядра рост интенсивности излучения приводит к просветлению и оболочки соответственно, rc — радиус ядра, rs — среды: эффект Бурштейна-Моссa [8], насыщение эксирадиус оболочки, — длина волны излучения.

тонного [9] и примесного поглощений [10]. Кроме того, Условием возникновения плазмонного резонанса явв полупроводниковом (диэлектрическом) ядре может ляется обращение в нуль действительной части знаменабыть создана инверсия населенности уровней, например, теля поляризуемости наночастицы [11]:

с помощью оптической накачки. В этом случае ядро наноструктуры может обладать усилением. Re(A) =Re(s d + 2hb) =0. (5) Инверсия поглощения и рассеяния при плазмонном резонансе в наночастицах с металлической... Численное моделирование проводилось для следующих параметров: показатели преломления среды и ядра — nh = 1.5, n = 3.5 - ik; материал оболочки — c серебро (использовались оптические константы серебра из [12] для спектрального интервала = 0.8-1 µm);

радиус ядра и оболочки — rc = 0.01, rs = 0.0121 µm.

На рис. 1 показано влияние изменения коэффициента поглощения k в ядре наноструктуры на спектральные характеристики сечения поглощения и рассеяния вблизи плазмонного резонанса. При отсутствии поглощения в ядре плазмонный резонанс приводит к появлению на спектре поглощения и рассеяния наночастицы узких резонансных полос. Увеличение коэффициента поглощения k в ядре наночастицы от 0 до 0.5 приводит к уменьшению сечения поглощения и рассеяния всей Рис. 2. Зависимость сечения поглощения (1, 3) и рассеянаночастицы в спектральном интервале плазмонного ния (2, 4) наночастиц от коэффициента поглощения: 1, 2 — наночастица с оболочкой из Ag в максимуме плазмонного резонанса; 3, 4 — наночастица без оболочки.

резонанса. Этот эффект сопровождается существенным увеличением спектральной ширины полос поглощения и рассеяния и небольшим сдвигом этих полос в коротковолновую область спектра.

На рис. 2 показаны зависимости амплитуды сечения поглощения и рассеяния наночастицы с оболочкой в максимуме резонанса от коэффициента поглощения в ядре. Для сравнения на рисунке приведены аналогичные зависимости для наночастицы без металлической оболочки. Из рисунка видно, что наибольшее изменение сечения поглощения и рассеяния наночастицы с оболочкой происходит при k < 0.1, причем влияние поглощения в ядре наночастицы в большей степени сказывается на сечении поглощения. При отсутствии у наночастицы металлической оболочки повышение ее поглощения приводит к увеличению сечения поглощения и рассеяния. Изменение k в данном случае очень мало влияет на сечение рассеяния наночастицы: модуляция s наночастицы без оболочки в сотни раз меньше, чем модуляция s наночастицы с оболочкой при одном и том же изменении коэффициента поглощения.

Таким образом, в наночастице с металлической оболочкой, в условиях плазмонного резонанса, происходит инверсия зависимостей сечения поглощения и рассеяния от коэффициента поглощения в ядре по сравнению с наночастицей без оболочки. Описанный эффект имеет простое объяснение — увеличение потерь в резонансной системе приводит к ухудшению условий резонанса, уменьшению его амплитуды и уширению резонансной полосы. Такая инверсия оптических свойств структурированных наночастиц с металлической оболочкой вблизи плазмонного резонанса дает возможность создавать композитные среды с новыми нелинейно-оптическими свойствами: инверсной зависимостью оптического отРис. 1. Спектры сечения поглощения (a) и рассеяния (b) клика, по сравнению с композитной средой из неструкнаночастиц с оболочкой из Ag и поглощающим ядром: 1 — kc = 0, 2 — 0.05, 3 —0.2, 4 —0.5. турированных наночастиц.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 138 А.И. Сидоров ядра — n = 3.5, радиус ядра — rc = 0.01, радиус c оболочки — rs = 0.0121 µm. Наночастицы находятся в среде без поглощения с показателем преломления nh = 1.5.

На рис. 3 показаны расчетные спектры сечения поглощения и рассеяния наночастиц вблизи плазмонного резонанса при изменении коэффициента усиления ядра k в интервале 0.05-0.1. Видно, что с ростом коэффициента усиления уменьшается ширина полосы плазмонного резонанса и увеличивается ее амплитуда. При k 0.достигается максимальное сечение поглощения и рассеяния в центре резонанса. Однако при дальнейшем увеличении k происходит резкое сокращение поглощения и рассеяния, причем величина a становится отрицательной. Этот процесс сопровождается увеличением спектральной ширины полосы плазмонного резонанса.

Характер зависимостей a(k) и s (k) структурированной наночастицы в максимуме плазмонного резонанса иллюстрирует рис. 4. Для сравнения на рисунке показаны аналогичные зависимости для наночастицы без металлической оболочки, видно, что при k 0.09 происходит резонансное изменение сечения поглощения и рассеяния наночастиц с металлической оболочкой. При k > 0.09 знак меняется d/dk на противоположный.

Рис. 3. Спектры сечения поглощения (a) и рассеяния (b) наночастиц с оболочкой из Ag и ядром, обладающим усилением:

1 — kc = 0.06, 2 — 0.08, 3 — 0.09, 4 —0.1.

При создании в наночастице инверсии населенностей в ней может возникнуть усиление излучения. Усиление в композитной среде с наночастицами может быть получено, например, с помощью оптической накачки.

В этом случае в полупроводниковых наноструктурах могут возникать эффекты, подобные лазерной генерации [13,14]. В связи с этим представляет интерес анализ оптических характеристик сферических наноструктур полупроводник-металл вблизи плазмонного резонанса при наличии усиления в полупроводниковом ядре наноструктуры.

Численное моделирование проводилось для сфериРис. 4. Зависимость сечения поглощения (a) и рассеяния (b) ческих наночастиц, состоящих из полупроводникового наночастиц от коэффициента усиления: 1 — наночастица ядра, обладающего усилением излучения, и оболочки с оболочкой из Ag в максимуме плазмонного резонанса, из металлического серебра. Показатель преломления 2 — наночастица без оболочки.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Инверсия поглощения и рассеяния при плазмонном резонансе в наночастицах с металлической... оболочкой приводит к уменьшению ее сечения поглощения и рассеяния — происходит инверсия оптической реакции по сравнению с обычной наночастицей. При наличии усиления в ядре возможно возникновение нового плазмонного резонанса, приводящего к дополнительной модуляции оптических параметров наночастицы.

Рассмотренные эффекты позволяют расширить возможности создания новых композитных сред с нелинейно-оптическими свойствами для оптических переключателей и модуляторов излучения. При этом могут быть использованы известные нелинейно-оптические эффекты, связанные со светоиндуцированным изменением коэффициента поглощения — двухфотонное поглощение, насыщение экситонного поглощения, эффект Бурштейна-Моссa и др. Достоинством структурированных наночастиц является не только возможность инвертирования оптического отклика, но и увеличение его амплитуды. При использовании наночастиц с ядром, Рис. 5. Зависимость действительной (2) и мнимой (1) частей обладающим усилением, появляется возможность сознаменателя поляризуемости наночастицы с оболочкой из Ag здания новых типов светоуправляемых оптических пеот коэффициента усиления ядра.

реключателей с чрезвычайно высоким коэффициентом модуляции оптических характеристик.

Работа выполнена при поддержке FGAN-FOM и ISTC Коэффициент усиления влияет на оптические свойства (партнерский проект № 3063).

структурированных наночастиц в значительно большей степени, чем на свойства наночастиц без оболочки.

Например, модуляция сечения рассеяния наночастицы с Список литературы оболочкой более чем в 103 раз превышает модуляцию, наночастицы без оболочки при одном и том же изме[1] Chakraborty P. // J. Mater. Sci. 1998. Vol. 33. N 8. P. 2235.

нении k.

[2] Hamanaka Y., Nakamura A., Omi S. et al. // Appl. Phys. Lett.

Анализ показал, что описанный резонанс возника1999. Vol. 74. N 12. P. 1712.

ет при иных условиях, нежели обычный плазмонный [3] Averitt R.D., Westcott S.L., Halas N.J. // JOSA B. 1999.

резонанс в наночастицах с металлической оболочкой. Vol. 16. N 10. P. 1814.

[4] Averitt R.D., Westcott S.L., Halas N.J. // JOSA B. 1999.

Условием возникновения обычного резонанса является Vol. 16. N 10. P. 1824.

обращение в нуль действительной части знаменате[5] Gao L. // Phys. Lett. A. 2003. Vol. 318. P. 119.

ля поляризуемости наночастицы — Re(A) =0 (3)-(5).

[6] Rini M., Cavalleri A., Schoenlein R.W. et al. // Opt. Lett.

Плазмонный резонанс, рассмотренный выше, возникает 2005. Vol. 30. N 5. P. 558.

при обращении в нуль мнимой части знаменателя по[7] Wray J.E., Liu K.C., Chen C.H. et al. // Appl. Phys. Lett.

ляризуемости — Im(A) =0 (рис. 5). При соответствую1994. Vol. 64. N 21. P. 1785.

щем подборе геометрических параметров наночастицы [8] Мосс Т., Баррел Г., Эллис Б. Полупроводниковая оптовозможно совмещение двух типов плазмонных резоэлектроника. М.: Мир, 1976. 431 с.

нансов: Re(A) =Im(A) =0. В этом случае происходит [9] Kang I., Wise F.W. // JOSA. B. 2000. Vol. 14. P. 1632.

резкое уменьшение спектральной ширины резонансных [10] Сидоров А.И. // Оптич. журн. 2002. Т. 69. № 1. С. 7.

полос сечения поглощения и рассеяния и увеличение [11] Neeves A.E., Birnboim M.H. // JOSA B. 1989. Vol. 6. N 4.

их амплитуды. Необходимо отметить, что возникновение P. 787.

нового типа плазмонного резонанса в структурирован- [12] Золотарев В.М., Морозов В.Н., Смирнова Е.В. Оптические постоянные природных и технических сред. Спраной наночастице возможно лишь при очень высоком вочник. Л.: Химия, 1984. 215 с.

коэффициенте усиления в ядре. Однако оптимизация [13] Zhi-Yuan Li, Kai-Ming Ho // Phys. Rev. B. 2005. Vol. 71.

геометрических размеров наночастицы, а также диэлекP. 045 315.

трических проницаемостей ее компонентов позволяет [14] Protsenko I.E., Uskov A.V., Zaimidoroga O.A. et al. // Phys.

уменьшить величину k, соответствующую резонансу, Rev. A. 2005. Vol. 71. P. 063 812.

в 2-3 раза.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.