Федеральное агентство связи Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики» Методическая разработка к выполнению лабораторных работ по учебной дисциплине НАНОФОТОНИКА И ФИЗИКА НАНОСТРУКТУР для магистрантов 1 года обучения по направлению подготовки 200700 Составитель: к.ф.-м.н., доц. <...> С Самара - 2014 Лабораторная работа 701 "Определение размеров наночастиц по спектру поглощения композитной среды" 1. <...> Теоретическая часть: 1.1 Оптические свойства металлических наночастиц 1.1.1 Оптические свойства электронного газа в металлах В оптической области частот свойства металлов могут быть объяснены с помощью пламенной модели или модели свободных электронов (модель Друде) [1]. <...> В этой модели комплексная диэлектрическая проницаемость принимает вид ( ) 1 2 где p m 0 n e * 0 2 - плазменная частота свободного электронного газа, n0 - концентрация носителей, m* - эффективная масса электронов. <...> 3 2 (8) (9) В этой области частот оптические свойства объемных металлов определяются в основном действительной частью диэлектрической проницаемости, которая намного превышает мнимую. <...> Здесь отметим, что для благородных металлов (медь, серебро, золото) из-за межзонных переходов мнимой частью диэлектрической проницаемости пренебречь нельзя. <...> Модель Друде в силу простой аналитической зависимости от частоты может быть плодотворно использована как для аналитических, так и для численных исследований плазмонных колебаний в наноструктурах и наночастицах. <...> Поверхностный плазмонный резонанс сферической металлической наночастицы МНЧ- металлическая наночастица Используя электростатическое приближение, рассмотрим оптический отклик на падающую волну сферической металли3 ческой наночастицы с радиусом R, заметно меньшим длины волны : R<<. <...> Как известно, при взаимодействии электромагнитной <...>
Методическая_разработка_к_выполнению_лабораторных_работ_по_учебной_дисциплине_НАНОФОТОНИКА_И_ФИЗИКА_НАНОСТРУКТУР_для_магистрантов_1_года_обучения_по_направлению_подготовки_200700_.pdf
Лабораторная работа 701
"Определение размеров наночастиц по спектру
поглощения композитной среды"
1. Теоретическая часть:
1.1 Оптические свойства металлических наночастиц
1.1.1 Оптические свойства электронного газа в металлах
В
оптической области частот свойства металлов могут
быть объяснены с помощью пламенной модели или модели
свободных электронов (модель Друде) [1]. В этой модели
комплексная диэлектрическая проницаемость принимает вид
( ) 1 2
где
p
m 0
n e
*
0
2
- плазменная частота свободного электронного
газа, n0 - концентрация носителей, m* - эффективная масса
электронов.
Действительная и мнимая части диэлектрической проницаемости
запишутся соответственно как:
1( ) 1 p
1
2( ) 1
Здесь - время релаксации:
2
(1
2 2
2 2
2
p
2 2
)
,
.
(2)
(3)
2
p
i
,
(1)
Стр.2
Лабораторная работа 702
"Исследование рассеяния металлической наночастицей.
Влияние диэлектрической проницаемости окружающей
среды"
1. Теоретическая часть
Сечение рассеяния электромагнитного излучения металлической
наночастицей сферической формы вычисляется по формуле
σ
ω
scat
s
β ω εs m
s r
3
8π ω
3
c
2
2
2 β ω ;
s
ε ω 2εm
ε ω εm
s
s
резонасное условие
rs - радиус наночастицы,
s - диэлектрическая проницаемость металлической наночастицы
(рассчитывается по модели Друде с учетом потерь),
m - диэлектрическая проницаемость матрицы (среды-хозяйки)
Положение плазмонного резонанса зависит от материала
матрицы и радиуса наносферы.
Re ε ω 2ε 0
s
m
16
Стр.16
Лабораторная работа 703
Исследование диэлектрической проницаемости металлической
наночастицы
1. Теоретическая часть
Диэлектрическая проницаемость металла рассчитывается
в рамках модели Друде следующим образом:
2
2
1
p
i
.
где р -плазменная частота, - столкновительная частота
При этом =1/, -время релаксации.
Параметры Друде при оптических частотах для Au и Ag
Au
p, эВ
, фс
9,0
10
Ag
9,1
36
Для более полного описания свойств металлов необходимо
учесть вклад связанных электронов в оптические свойства.
Отклик связанных электронов учитывает модель ДрудеЛоренца.
Диэлектрическая проницаемость металла в рамках
модели Друде-Лоренца:
int
1
2
p
(
2
0
2
) i
.
(2)
(1)
19
Стр.19
Лабораторная работа № 705
«Расчет коэффициента отражения от плоской наноструктуры»
1.
Теоретическая часть
1.2. Введение
В последние годы наблюдается повышенный интерес
к оптическим свойствам гетерогенных композитных сред на
основе диэлектрических материалов как неорганических, так и
органических. Это связано в первую очередь с возможностью
изготовления на их основе оптических переключающих
устройств пикосекундного диапазона, направленных соединителей,
интерферометров Маха − Цендера, планарных и трехмерных
диэлектрических микроволноводов и ряда других
практически важных устройств [1, 2] для интегральной оптики
и оптоэлектроники. Нелинейные оптические свойства гетерогенных
сред на основе оптически прозрачных диэлектриков,
содержащих наночастицы металлов, основываются на зависимости
показателя преломления среды от параметров внешних
воздействий (пико- или фемтосекундных лазерных импульсов).
Кроме того, гетерогенные пленки могут обладать аномально
высоким коэффициентом преломления, что, как показано в работе
[3], может иметь целый ряд практически важных применений,
например, повышение разрешающей способности оптических
микроскопов, управление направлением распространения
светового луча (включая самофокусирующие устройства –
селфоки), создание миниатюрных высококачественных линз и
других оптических элементов. В связи с вышесказанным композитные
(дисперсные) пленки могут получить широкое распространение
при разработке и изготовлении нового поколения
приборов интегральной оптики и оптоэлектроники.
Гетерогенной (композитной) средой будем называть объемные
взвеси частиц в какой-либо матрице или двухмерные
осадки частиц на твердой поверхности. Традиционные методы
приготовления дисперсионных сред и физические свойства
малых металлических частиц подробно описаны в [4,5]. К ним
относятся:
26
Стр.26