Оптичні властивості наночастинок нікелю в системах зі статистично неоднорідною структурою

Oleksandr Viktorovich Machulianskyi

Анотація


Представлений аналіз та подальший розвиток експериментально-аналітичного підходу для визначення значень оптичних параметрів нанорозмірних частинок в системі зі статистично неоднорідною структурою. Вдосконалений експериментально-аналітичний метод визначення комплексної питомої електричної поляризованості нанорозмірних частинок в системах зі статистично неоднорідною структурою засновано на спектрофотометричних і електронно-мікроскопічних вимірах на двовимірних структурах і застосуванні аналітичного рішення спектрофотометричних рівнянь Розенберга з урахуванням аналізу розподілу часток за розмірами.

Проведено експериментальні спектрофотометричні та електронно-мікроскопічні дослідження острівкових плівок нікелю з ваговою товщиною від 0,3 до 2,0 нм, нанесених методом вакуумного розпилення на кварцові підкладки в діапазоні спектра 0,2 ÷ 1,1 мкм. Острівкові плівки нікелю представляли морфологічну мікроструктуру у вигляді моношарів ізольованих один від одного сферичних наноострівків нікелю з поверхневою концентрацією (0,8 ÷ 2,0) · 1012 см-2 і середнім діаметром частинок 2,5 ÷ 7 нм.

В спектральному інтервалі довжин хвиль 0,2 ÷ 1,1 мкм отримані експериментальні спектральні та розмірні залежності електромагнітних параметрів, а саме: комплексної питомої електричної поляризованості і оптичної провідності. Виявлено значне зростання до одного порядку величини абсолютних значень дійсної і уявної частин комплексної питомої електричної поляризованості частинок нікелю і при зменшенні їх розміру та в порівнянні з абсолютними значеннями дійсної і уявної частин комплексної питомої електричної поляризованості модельних сфер з оптичними параметрами для макроскопічних об’ємів нікелю. Встановлено, що в спектральних залежностях оптичної провідності наночастинок нікелю в діапазоні довжин хвиль 0,2 ÷ 1,1 мкм спостерігається смуга, яка зі зменшенням розміру зміщується в високочастотну область. При цьому значення оптичної провідності наночастинки нікелю монотонно падають зі зменшенням розміру на 1-2 порядки величини. Порівняння отриманих значень оптичної електронної провідності частинок в межах розглянутого інтервалу зі значеннями оптичної електронної провідності макроскопічних об’ємів нікелю в досліджуваному діапазоні спектра показує, що в частинках значення оптичної електронної провідності на 2-3 порядки величини менше, ніж в масивних металах. Показано, що в наночастицах нікелю поглинання "друдівського" типу в ближній інфрачервоній області спектра придушене. Причиною цього може бути зміна механізму низькочастотного електромагнітного відгуку в нанорозмірних металевих частинках у порівнянні з макроскопічними металами.

Результати досліджень представляють інтерес для розробки та оптимізації наноструктурних систем і функціональних пристроїв на їх основі із заданими електромагнітними характеристиками.

Бібл. 22, рис. 4.


Ключові слова


електрична поляризованість; нанорозмірні частинки; експериментально-аналітичний метод

Повний текст:

PDF (English)

Посилання


Y. I. Petrov, Fizika malyih chastits [Physics of small particles]. Moscow, USSR: Nauka, 1982.

A. Borisova, B. Babych, V. Verbitskiy, A. Machulyansky, M. Rodionov, and Y. Yakimenko, “Energy-efficient optically transparent coating based on a metal-dielectric composites,” in 2015 IEEE 35th International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), 2015, pp. 93–96, DOI: 10.1109/ELNANO.2015.7146842.

E. Moulin, J. Sukmanowski, P. Luo, R. Carius, F. X. Royer, and H. Stiebig, “Improved light absorption in thin-film silicon solar cells by integration of silver nanoparticles,” J. Non. Cryst. Solids, vol. 354, no. 19–25, pp. 2488–2491, 2008, DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2007.09.031.

A. Borisova et al., “Modeling of metal-dielectric nanocomposite coatings with ferromagnetic inclusions for electromagnetic protection of electronic devices,” in 2014 IEEE 34th International Scientific Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), 2014, pp. 139–141, DOI: 10.1109/ELNANO.2014.6873955.

I. S. Edel’man et al., “Microstructure and magnetooptics of silicon oxide with implanted nickel nanoparticles,” J. Exp. Theor. Phys., vol. 113, no. 6, pp. 1040–1049, 2011, DOI: 10.1134/S1063776111160035.

A. V. Kalenskii, M. V. Anan’eva, A. A. Zvekov, and I. Y. Zykov, “Spektralnaya zavisimost kriticheskoy plotnosti energii initsiirovaniya kompozitov na osnove pentaeritrittetranitrata s nanochastitsami nikelya [Spectrum dependence of the critical energy density of composites based on pentaerythritol tetranitrate with nikel nanoparticles],” Basic Probl. Mater. Sci., vol. 11, no. 3, pp. 340–345, 2014, URL: http://www.nsmds.ru/journal/720.html.

A. Borisova, B. B. A. Machulyansky, M. Rodionov, and Y. Yakimenko, “Properties of aluminum oxynitride films prepared by reactive magnetron sputtering,” in 2014 IEEE 34th International Scientific Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), 2014, pp. 188–190, DOI: 10.1109/ELNANO.2014.6873942.

E. A. Bondar, “Razmernyie zavisimosti opticheskih harakteristik malyih chastits serebra v vyisokochastotnoy oblasti spektra [Size dependences of the optical characteristics of small silver particles in the high-frequency region of the spectrum],” Opt. Spectrosc., vol. 77, no. 3, pp. 414–420, 1994.

O. V. Machulianskyi, “Razmernyie zavisimosti dinamicheskoy polyarizuemosti ultradispersnyih chastits [Dimensional dependences of the dynamic polarizability of ultradisperse particles],” Electron. Commun., vol. 6, no. 10, pp. 78–80, 2001.

J. P. Marton and M. Schlesinger, “Optical Constants of Thin Discontinuous Nickel Films,” J. Appl. Phys., vol. 40, no. 11, pp. 4529–4533, 1969, DOI: 10.1063/1.1657227.

G. V. Rozenbepg, Optika tonkosloynyih pokryitiy [Optics of thin-layer coatings]. Moscow, USSR, 1958.

E. A. Bondar and A. V. Machulianskyi, “Spektrofotometricheskiy metod opredeleniya dinamicheskoy polyarizuemosti ultradispersnyih metallicheskih chastits. Algoritm vyichisleniy [Spectrophotometric method for determining the dynamic polarizability of ultradisperse metallic particles. The calculation algorithm],” Opt. Spectrosc., vol. 70, no. 1, pp. 161–163, 1991.

O. V. Machulianskyi, M. K. Rodionov, and O. V. Borisov, “Otsenka funktsii raspredeleniya po razmeram ultradispersnyih chastits kondensatov nikelya i hroma [Assessment of function of distribution by the sizes of ultradisperse particles of condensates of nickel and chrome],” Electron. Commun., vol. 7, no. 15, pp. 133–136, 2002.

A. Machulyansky, B. Babych, and V. Machulyansky, “Modelling of electromagnetic parameters of two-dimensional nanostructural system taking into account statistics of distribution of nanoparticles on the sizes,” in IX International scientific conference “Functional base of nanoelectronics,” 2017.

V. A. Zlenko and S. I. Protsenko, “Nanorazmernyie ostrovkovyie strukturyi na poliimidnoy podlozhke [Nano-sized island structures on a polyimide substrate],” in 20-ya Mezhdunarodnaya Kryimskaya konferentsiya “SVCh-tehnika i telekommunikatsionnyie tehnologii,” 2010.

V. T. Gmurman, Teoriya veroyatnostey i matematicheskaya statistika [Theory of probability and mathematical statistics]. Moscow, Russia: Vyisshaya shkola, 2001.

M. Gadenne and J. Lafait, “Optical properties of Ni from 0.03 to 6 eV,” J. Phys., vol. 47, no. 8, pp. 1405–1410, 1986, DOI: 10.1051/jphys:019860047080140500.

P. Johnson and R. Christy, “Optical constants of transition metals: Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Pd,” Phys. Rev. B, vol. 9, no. 12, pp. 5056–5070, 1974, DOI: 10.1103/PhysRevB.9.5056.

E. A. Bondar’, “The anomalous optical absorption of discontinuous silver films and the polarizability of small particles,” Thin Solid Films, vol. 81, no. 2, pp. 121–130, 1981, DOI: 10.1016/0040-6090(81)90298-4.

A. V. Rakov, Spektrofotometriya tonkoplenochnyih poluprovodnikovyih struktur [Spectrophotometry of thin-film semiconductor structures]. Moscow, USSR: Sov. radio, 1976.

L. Genzel, T. P. Martin, and U. Kreibig, “Dielectric function and plasma resonances of small metal particles,” Zeitschrift fr Phys. B Condens. Matter Quanta, vol. 21, no. 4, pp. 339–346, 1975, DOI: 10.1007/BF01325393.

A. Borisova, B. Babych, A. Machulyansky, V. Verbitsky, and Y. Yakimenko, “Dimensional dependencies of optical parameters of nanodimensional metal particles,” in 2016 IEEE 36th International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), 2016, pp. 140–143, DOI: 10.1109/ELNANO.2016.7493032.




DOI: https://doi.org/10.20535/2523-4455.2018.23.1.126231

Посилання

  • Поки немає зовнішніх посилань.


Copyright (c) 2017 Мачулянський О. В.

Creative Commons License
Ця робота ліцензована Creative Commons Attribution 4.0 International License.

ISSN: 2523-4447
e-ISSN: 2523-4455