ВВЕДЕНИЕ 5
1 РАССЕЯНИЕ СВЕТА. ТЕОРИЯ МИ ДЛЯ СФЕРИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ ПРИ
ВОЗДЕЙСТВИИ НА НИХ ИЗЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА 7
1.1 Теория Ми 7
1.2 Оптические свойства дипольных наночастиц 15
1.3 Резонансы Ми 21
1.3.1 Оптические резонансы в сферических частицах произвольных размеров 21
1.4 Проблемы рассеяния 29
1.5 Плазмонные, диэлектрические и гибридные наночастицы 32
2 РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГИБРИДНЫХ
НАНОДИМЕРОВ Au/Si С ОПТИЧЕСКИМ ПОЛЕМ 37
2.1. Выбор среды моделирования 37
2.2 Разработка модели гибридного нанодимера Au/Si средствами COMSOL Multiphysics 38
2.3. Результаты моделирования. Диаграммы направленности дальнего поля .... 44
2.4 Анализ графиков сечений рассеяния, поглощения и экстинкции 53
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 56
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 57
ПРИЛОЖЕНИЕ А
В исследованиях по ряду направлений нанооптики в последнее время все чаще рассматриваются гибридные нанообъекты, что обусловлено наличием у них свойств, не присущих гомогенным наноструктурам. В гибридных системах более выраженными являются эффекты гигантского комбинационного рассеяния, изменения скорости спонтанного радиационного распада, аномально высокого квантового выхода флуоресценции молекул, фотоиндуцированных химических реакций вблизи металлической поверхности и другие.
Вид резонансов оптического поля зависит от материала и формы частиц, а также от параметров самого действующего на частицу электромагнитного поля. Варьирование исходных характеристик позволяет управлять резонансами наночастиц, что находит применение на практике, в частности, в нанофотонике и наноплазмонике [1,2]. Механизм взаимодействия оптического поля с наночастицами лежит в основе работы ряда оптоэлектронных устройств, солнечных элементов и наноантенн. Кроме того, ведутся разработки в области нанофотонных интегральных схем, нанолазеров и других устройств, работа которых основана также на эффектах субволновой оптики и квантово-размерных явлениях [3].
Резонансные явления наблюдаются не только в отдельных частицах, но и в целых ансамблях. При сближении частиц происходит смещение резонансов, что приводит к изменению поля между ними. Это явление открывает возможности использования свойств ансамблей частиц в информационных технологиях, а также производить селективное оптическое действие на распределение системы наночастиц [4].
В настоящее время ведутся разработки гибридных металлодиэлектрических структур (нанодимеров и слоистых наносистем), которые объединяют в себе все преимущества металлических и диэлектрических наночастиц. Гибридные наноструктуры находят применение в качестве наноантенн и наноструктур на их основе, которые обладают способностью избирательно рассеивать световые волны, усиливать и передавать в заданном направлении оптические сигналы, управлять распространением таких сигналов и генерировать оптические гармоники.
Поскольку экспериментальные исследования ряда оптических свойств нанодимеров и слоистых наноструктур трудно реализуемы либо требуют высокоточной дорогостоящей аппаратуры, довольно эффективными являются методы априорного компьютерного и математического моделирования, позволяющие сделать оценку оптических свойств до проведения натурного эксперимента.
Цель работы - исследование и компьютерное моделирование взаимодействия оптических полей с нанодимерами кремния и золота, определение оптических свойств гибридных наночастиц Au/Si.
Для достижения цели были определены и решены следующие задачи:
1) Анализ научной литературы и публикаций в области нанооптики.
2) Разработка компьютерной модели взаимодействия оптического поля с нанодимерами Au-Au, Si-Si, Au-Si средствами COMSOL Multiphysics.
3) Получение диаграмм направленности для частиц в свободном пространстве и в присутствии диэлектрической подложки.
4) Построение графиков зависимости сечения рассеяния, поглощения и экстинкции от длины волны для нанодимеров.
5) Анализ полученных результатов.
Объект исследования - гибридные нанодимеры золота и кремния.
Предмет исследования - оптические свойства гибридных нанодимеров золота и кремния.
В работе с помощью программного пакета COMSOL Multiphysics была разработана модель взаимодействия оптического поля с нанодимерами.
Получены и проанализированы диаграммы направленности для нанодимеров золота и кремния в свободном пространстве и в присутствии подложки.
Построены графики зависимости сечений рассеяния, поглощения и экстинкции от материалов нанодимера, длины волны, расстояния между сферами и расстояния до подложки. Замечено, что варьирование расстояний между частицами и до подложки приводит к значительному изменению (по положению в спектральной области) резонансов Ми в нанодимерах диэлектрического состава. Это обстоятельство указывает на возможность манипулирования электро- дипольным и магнито-дипольными вкладами в резонанс.
В длинноволновой области в случае нанодимеров Au-Au и Si-Si при расстоянии между сферами 100 нм наблюдалось ярко выраженное рассеяние в стороны, что может найти применение в фотовольтаике, поскольку рассеяние в стороны позволяет эффективнее локализовать энергию в материале и увеличить КПД солнечного элемента [20].
В коротковолновой области наблюдается увеличение направленности рассеяния в дальней зоне, особенно у Si-Si. Это может быть полезно для наноэмитеров, где необходим узконаправленный пучок сигнала, что позволяет передавать его на большие расстояния.
