DOI: https://doi.org/10.20535/2523-4455.2018.23.2.130732

Питома електрична поляризованість наночастинок міді в оптичному діапазоні спектру

Oleksandr Viktorovych Machulianskyi

Анотація


Робота присвячена дослідженню розмірних змін оптичних властивостей нанорозмірних частинок міді з розмірами менше 10 нм в статистично неоднорідних системах. В оптичній області спектра в діапазоні довжин хвиль від 0,2 до 1,1 мкм визначено експериментальні спектральні та розмірні залежності комплексної питомої електричної поляризованості нанорозмірних частинок міді за допомогою експериментально-аналітичного методу. Значення комплексної питомої електричної поляризованості одержані на основі аналітичного розв’язку спектрофотометричних рівнянь теорії Розенберга з використанням експериментальних результатів спектрофотометричних вимірів коефіцієнтів пропускання і відбивання острівкових плівок міді та результатів електронно-мікроскопічних досліджень їх морфологічної мікроструктури з урахуванням статистичного аналізу розподілу частинок за розмірами. Нанорозмірні частинки міді в системі острівкові плівки на кварцових підкладках отримували методом вакуумного магнетронного розпилення. Аналіз функції розподілу наночастинок міді за розмірами в системі з статистично неоднорідною структурою проведено на основі критерію узгодження Пірсона.

Для з’ясування особливостей оптичного поглинання нанорозмірних частинок міді, їх експериментальні спектральні та розмірні залежності комплексної питомої електричної поляризованості співставляються з відповідними характеристиками для модельних частинок з властивостями характерними для макроскопічних об’ємів міді. Виявлено, що оптичні властивості нанорозмірних частинок міді відрізняються від оптичних властивостей міді в макроскопічному об’ємі. Встановлено, що абсолютні значення компонентів комплексної питомої електричної поляризованості сферичних нанорозмірних частинок міді збільшуються при зменшенні їх діаметру в межах інтервалу від 8 нм до 3,2 нм. При цьому положення максимуму смуги в області 0,6 мкм зміщується в сторону більш коротких хвиль при зменшенні об’єму наночастинки міді. Тенденція розмірних змін комплексної питомої електричної поляризованості для наночастинок міді узгоджується і підтверджує закономірності виявлені в відповідних залежностях для частинок нікелю, хрому, срібла.

Розраховані спектральні залежності оптичних параметрів нанорозмірних частинок міді по відомим теоріям класичного і квантового розмірних ефектів. З метою досліджень природи розмірних залежностей оптичних параметрів наночастинок міді проведено порівняльний аналіз розрахованих та експериментальних спектральних і розмірних залежностей їх оптичних параметрів. Показано, що експериментальні розмірні зміни комплексної питомої електричної поляризованості частинок міді в досліджуваному інтервалі розмірів не обумовлені класичним або квантовим розмірним ефектом в дипольному наближенні.

Результати досліджень розмірних та спектральних залежностей оптичних параметрів наночастинок міді можуть найти використання для розробки металодіелектричних структур та функціональних пристроїв різного прикладного призначення з заданими оптичними характеристиками. Вони також представляють інтерес з точки зору фундаментальних проблем оптики нанорозмірних систем.

Бібл. 36, рис. 3.


Ключові слова


наночастинки міді; оптика; електрична поляризованість; експериментально-аналітичний метод

Повний текст:

PDF (English)

Посилання


L.-Y. Shao, J. P. Coyle, S. T. Barry and J. Albert, "Anomalous permittivity and plasmon resonances of copper nanoparticle conformal coatings on optical fibers," Optical Materials Express, vol. 1, pp. 128-137, 2011, DOI: 10.1364/OME.1.000128.

A. Borisova, A. Machulyansky, Y. Yakimenko, V. Bovtun, M. Kempa, M. Savinov and B. Bondar, “Modeling of metal-dielectric nanocomposite coatings with ferromagnetic inclusions for ensuring electromagnetic protection of electronic devices,” in IEEE 34th International Scientific Conference Electronics and Nanotechnology (ELNANO), Kiev, 2014, DOI: 10.1109/ELNANO.2014.6873955.

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

O. N. Gadomskiy, K. Altunin, N. Ushakov, I. Kosobudskiy, V. Podvigalkin and D. Kulbatskiy, "Vyisokoeffektivnyie prosvetlyayuschie nanostrukturnyie opticheskie pokryitiya dlya solnechnyih elementov [Highly effective antireflective nanostructured optical coatings for solar cells]," ZhTF, vol. 80, no. 7, pp. 83-89, 2010, URL: http://journals.ioffe.ru/articles/10053.

B. Babych, O. Borisova, O. Machulianskyi, M. Rodionov, V. Machulianskyi, Y. Yakymenko and D. Koroliouk, "Applications of metal-dielectric nanocomposite structures in information systems," in IEEE 38th International Scientific Conference Electronics and Nanotechnology (ELNANO), Kiev, 2018, DOI: 10.1109/ELNANO.2018.8477509.

D. Fedyanin, D. Yakubovsky, R. Kirtaev and V. Volkov, "Ultralow-Loss CMOS Copper Plasmonic Waveguides," Nano Letters, vol. 16, no. 1, pp. 362-366, 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b03942.

K. M. McPeak, S. V. Jayanti, S. J. P. Kress, S. Meyer, S. Iotti, A. Rossinelli and D. J. Norris, "Plasmonic films can easily be better: Rules and recipes," ACS Photonics, vol. 2, no. 3, pp. 326-333, 2015, DOI: 10.1021/ph5004237.

L. Guozhong, L. Huiqing, L. Suanzhi, Q. Yan and L. Fachun, "Optical properties of the oxidation of Cu thin films prepared by thermal evaporation," Surf. Rev. Lett., vol. 20, no. 1, pp. 135-143, 2013, DOI: 10.1142/S0218625X1350011X.

A. Borisova, B. Bondar, A. Machulyansky, M. Rodionov, Y. Yakimenko, V. Bovtun and M. Kempa, "Conductivity of metal (Al, Cu)-dielectric composites and modeling of the single- and multi-layer composite coatings for microwave applications," in IEEE 34th International Scientific Conference Electronics and Nanotechnology (ELNANO), Kiev, 2014, DOI: 10.1109/ELNANO.2014.6873936.

S. Kurbitz, J. Porstendorfe, K.-J. Berg and G. Berg, "Determination of size and concentration of copper nanoparticles dispersed in glasses using spectroscopic ellipsometry," Appl. Phys.(B), vol. 73, no. 4, pp. 333-337, 2001, DOI: 10.1007/s003400100657.

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 IEEE 35th International Scientific Conference Electronics and Nanotechnology (ELNANO), Kiev, 2015, DOI: 10.1109/ELNANO.2015.7146842.

E. Bondar and M. Rodionov, "Dielektricheskaya pronitsaemost i fure komponentyi psevdopotentsiala malyih chastits serebra [Dielectric permittivity and Fourier components of the pseudopotential of small silver particles]," Optika i spektroskopiya, vol. 59, no. 2, pp. 463-467, 1985.

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

A. Kalenskiy, M. Ananeva and A. Nikitin, "Opticheskie harakteristiki nanochastits nikelya v prozrachnyih matritsah [Optical characteristics of nickel nanoparticles in transparent matrices]," Modern scientific researches and innovations, vol. 1, no. 43, pp. 5-13, 2014.

U. Kreibig and M. Volmer, "Optical properties of metal nanoclusters," Shpringer, p. 553, 1995.

Y. I. Petrov, Fizika malyih chastits [Physics of small particles], Moscow: Nauka, 1982, p. 359.

M. C. Tringides, M. Jałochowski and E. Bauer, "Quantum size effects in metallic nanostructures," Physics Today, vol. 60, no. 4, 2007, DOI: 10.1063/1.2731973.

A. Kawabata and R. Kubo, "Electronic properties of fine metallic particles. II. Plasma resonance absorption," J. Phys. Soc. Japan., vol. 21, no. 9, pp. 1765-1772, 1966, DOI: 10.1143/JPSJ.21.1765.

U. Kreibig, "Electronic properties of fine silver particles: optical constants and its temperature dependence," J. Phys. F: Metal Phys., vol. 4, no. 7, pp. 999-1014, 1974, DOI: 10.1088/0305-4608/4/7/007.

V. P. Kurbatsky and V. V. Pogosov, "Optical conductivity of metal nanofilms and nanowires: The rectangular-box model," Physical Review B, no. 81, 2010, DOI: 10.1103/PhysRevB.81.155404.

V. Atsyukovskiy, Efirodinamicheskie osnovyi elektromagnetizma [The ether-dynamic bases of electromagnetism], Moscow: Energoatomizdat, 2011.

U. Kreibig and C. Fragstein, "The limitation of electron mean free path in small silver particles," Z. Physik, vol. 224, no. 4, pp. 307-323, 1969, DOI: 10.1007/BF01393059.

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...],” Optics and Spectroscopy, vol. 70, no. 1, pp. 161-163, 1991.

O. V. Machulianskyi, "Optical properties of nickel nanoparticles in systems with a statistically inhomogeneous structure," Microsystems, Electronics and Acoustics, vol. 23, no. 1, pp. 6-15, 2018, DOI: 10.20535/2523-4455.2018.23.1.126231.

B. Babych, A. Borisova, A. Machulyansky, V. Machulyansky, M. Rodionov and Y. Yakimenko, "Film coatings that are transparent in the visible spectral region with shielding properties in the microwave range," in IEEE 37th International Scientific Conference Electronics and Nanotechnology (ELNANO), Kiev, 2017, DOI: 10.1109/ELNANO.2017.7939715.

D. A. Kudryashov, A. S. Gudovskih, A. V. Babichev, A. V. Filimonov, A. M. Mozharov, V. F. Agekyan, E. V. Borisov, A. Y. Serov and N. G. Filosofov, "Nanorazmernyie plenki Cu2O: formirovanie metodom VCh-magnetronnogo raspyileniya, issledovanie strukturnyih i opticheskih svoystv [Nano-size Cu2O films: formation by RF magnetron sputtering, investigation of structural and optical properties]," Semiconductors, vol. 1, no. 51, pp. 111-115, 2017, DOI: 10.21883/FTP.2017.01.44005.8318.

B. Babych, O. Borisova, O. Machulianskyi, M. Rodionov, V. Verbitskiy, V. Machulianskyi and Y. Yakymenko, "Investigation of the structure and optical properties of thin copper films," in IEEE 38th International Scientific Conference Electronics and Nanotechnology (ELNANO), Kiev, 2018.

R. Glenga, Tehnologiya tonkih plenok [The technology of thin films], Moscow: Sov. radio, 1977.

Y. V. Didenko, A. V. Machulyansky, D. D. Tatarchuk, O. V. Telichkina and Y. I. Yakimenko, "UHF characteristics of metal-dielectric nanocomposite materials," in CriMiCo‒2010 20th International Crimean Conference "Microwave and Telecommunication Technology", Sevastopol, 2010, DOI: 10.1109/CRMICO.2010.5632968.

B. M. Bondar, A. V. Borisova, A. V. Machulyansky and Y. I. Yakimenko, "Characteristics of shields composite coatings based on nanodisperse particles," in CriMiCo‒2012 22th International Conference "Microwave and Telecommunication Technology", Sevastopol, 2012.

V. T. Gmurman, Teoriya veroyatnostey i matematicheskaya statistika [Theory of probability and mathematical statistics], Moscow: Vyisshaya shkola, 2001, p. 479.

L. D. Landau and E. M. Lifshic, Jelektrodinamika sploshnyh sred [Electrodynamics of continuous media], Moscow: Fizmatlit, 2001.

P. Johnson and R. Christy, "Optical constants of the noble metals," Phys. Rev. B., vol. 6, pp. 4370-4374, 1972, DOI: 10.1103/PhysRevB.6.4370.

O. Machulianskyi, B. Babych and V. Machulianskyi, "Determination of the efficiency factors of the absorption and scattering of nickel nanoparticles," Informatyka, Automatyka, Pomiary w Gospodarce i Ochronie Środowiska, vol. 8, no. 1, pp. 4-7, 2018, DOI: 10.5604/01.3001.0010.8541.

O. Machulianskyi, "Optical characteristics of nanodimensional particles of chrome," HERALD OF KHMELNYTSKYI NATIONAL UNIVERSITY, vol. 257, no. 1, pp. 203-207, 2018.

E. Bondar, "O prirode kvazipoluprovodnikovogo haraktera provodimosti malyih metallicheskih chastits [About the nature of the quasi-conductivity of the conductivity of small metal particles]," Optika i spektroskopiya, vol. 80, no. 1, pp. 89-95, 1996.




Copyright (c) 2018 Мачулянський О. В.

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

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