CC BY
14Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли
УДК 535.8; 544.77.03
ФОТОХРОМНЫЕ ЭФФЕКТЫ В КОМПОЗИТНЫХ СРЕДАХ, СОДЕРЖАЩИХ АГРЕГАТЫ ПЛАЗМОННЫХ НАНОЧАСТИЦ В ИМПУЛЬСНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ПОЛЯХ*
А. Е. Ершов1, 2 3" а, А. П. Гаврилюк1, 3, В. С. Герасимов1, 2 3, С. В. Карпов2, 3 4
1Институт вычислительного моделирования СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/44 2Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
3Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79
"Институт физики имени Л. В. Киренского СО РАН Российская Федерация, 660036, Красноярск, Академгородок, 50/38 ''E-mail: [email protected]
Разработана модель фотомодификации агрегатов плазмонных наночастиц. Модель может использоваться при разработке элементов памяти и оптических интегральных микросхем нового поколения в сложных спутниковых системах.
Ключевые слова: поверхностный плазмонный резонанс, коллоидные агрегаты, фотомодификация.
PHOTOCHROMIC EFFECTS IN COMPOSITE MEDIA WITH PLASMONIC NANOPARTICLE
AGGREGATES IN PULSED LASER FIELDS
A. E. Ershov1, 2 3" а, A. P. Gavrilyuk1, 3, V. S. Gerasimov1, 2 3, S. V. Karpov2, 3 4
institute of Computational Modeling SB RAS 50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation 2Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 3Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation 4L.V. Kirensky Institute of Physics SB RAS 50/38, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation ""E-mail: [email protected]
A model of photomodification of plasmonic nanoparticle aggregates is developed. The model can be used in fabrication of the memory elements and optical integrated circuits of new generation for complex satellite systems.
Keywords: surface plasmon resonance, colloid aggregate, photomodification.
Физика взаимодействия агрегатов металлических наночастиц с импульсным лазерным излучением является важной частью наноплазмоники и охватывает широкий спектр исследований и прикладных задач -от технологии создания логических элементов для перспективных типов оптических процессоров, до новых методов в медицине. Одним из интересных эффектов в таких системах является лазерная фотомодификация неупорядоченных агрегатов плазмон-ных наночастиц. Данное явление лежит в основе эффектов оптической памяти и имеет широкие перспективы практического применения, в том числе и в ракетно-космической отрасли. Моделирование процесса фотомодификации охватывает взаимосвязанные термодинамические, оптические и физико-химические, механические явления. Фотохромный эффект был
впервые обнаружен в [1]. Он проявляется в случае попадания частоты лазерного излучения в полосу плазмонного поглощения агрегатов и при превышении энергетического порога, что вносит значительный вклад в формирование инерционной компоненты оптического отклика.
Целью настоящей работы является разработка модели оптодинамических эффектов в многочастичных коллоидных агрегатах. До начала лазерного импульса соседние частицы в агрегате находятся в положении устойчивого равновесия ван-дер-ваальсовых и упругих сил.
Поглощение частицами излучения приводит к нагреву их металлического ядра и передаче тепловой энергии полимерному адсорбционному слою (АС) и уменьшению его модуля упругости.
* Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, Правительства Красноярского края, Красноярского краевого фонда науки в рамках научного проекта № 18-42-243023.
Решетневскуе чтения. 2018
Это сопровождается нарушением баланса сил и сближением частиц вплоть до полного контакта их металлических поверхностей. Изменение межчастичного зазора проявляется в сдвиге максимума полосы плазмонного поглощения относительно лазерной длины волны. Этим обусловлены статические изменения в спектре, сохраняющиеся после окончания импульса (эффект оптической памяти). В модели движение частиц описывается методом броуновской динамики следующим образом: dг,
dt
■ = v,.
i = 1...N,
dvi
(4)
mat = (Fvdw )+(F )<+(Fv )+(Ff )
(Fvdw X = =1
j *i
5(Uel )j
5(Uvdw )j
Sr.
(Fel )=-Zj 1
(5)
Sr
(Fv),. = -6^(R + h) v,., (Ff)i = -цЕ;=1 |(Fei)j| q-
j *i
(Uvdw ^ = 6H
-2RRj
v h (hj + 2R + 2 R)
2RiRj
h j(h j+ 2R, + 2Rj) + 4 R,Rj
(6)
- ln-
hj + 2Rhj + 2 Rjhj
h« h+2R+2 R )+4RR у
(Uel)j = ^(( + hj -hj )5
(Eel № )j
(Eel ),+(Eel) d (Eel ) = (Eel)
(R + h,)(Rj + hj) R + h + Rj + hj
H(h + hj -h),
Г
dt
*r ((m ),)'
xr = x0 exp
U
KTm
(7)
(8)
(Q ) ^ = -, [(Te )-(T ),]+£,
^ = ^ [(Te )-(T ),]+(*) ^,
(9)
(е. ),-[(а ),-(а X] н (( ),-(а ),) (Т+[(аХ-^),]у((е.)-(е2X) , (10)
где (Те),, (Т), - электронная и ионная температуры , -й частицы; (Се) , - объемная теплоемкость электронной компоненты g - скорость обмена энергией между ионной и электронной компонентами; - мощность поглощенного излучения, рассчитываемая с использованием обобщенной теории Ми [2]; V, - объем частицы; (д1)1 - поток тепла на единицу объема частицы, описывающий тепловые потери; ТЬ(Я,) - температура плавления, зависящая от размеров частицы; (е.) -количество теплоты в ионной компоненте частицы; (е1) , (е2) - количество теплоты, соответствующее началу и окончанию плавления.
Нагрев влечет увеличение константы электронной релаксации свободных электронов, что описывается с привлечением модели Друде:
s(R,(7;),) = etab /[Ю(Ю +iybulk(T = T,))]-[c[+iy(R ,(Ti)i)],
(11)
где ( - время с начала импульса, т,, Я,, V,-, г,-, Р, - масса, радиус, скорость, радиус вектор центра и сила действующая на , -ю частицу; N - число частиц в агрегате, ^а™) ,, (РеО ,, (Ру) ,-, (Р^ ,, - сила ван-дер-ваальсова притяжения частиц, упругого отталкивания АС, силы вязкого и упругого трения соответственно; (и^),/, (ие1)у энергии ван-дер-ваальсова и упругого взаимодействий; п - динамическая вязкость межчастичной среды; к, - толщина недеформированного АС; ц -эффективный коэффициент трения, qу нормализованный вектор проекции относительной скорости частиц на плоскость контакта их АС; Ан - константа Гамаке-ра; к у - межчастичный зазор; Гу - межчастичный радиус-вектор; (£е1) ,, (Ее1)у - модули упругости АС частиц; Н(х) - функция Хэвисайда; тг - время релаксации полимерных связей в АС, значение т0 принято 10-12 с, и - энергия химических связей в АС (принято 1 еУ); (Тщ)/ - средняя температура нагретой области вблизи -й частицы. Нагрев и плавление металлического ядра частиц и обмен энергией с внешней средой описывается следующим образом:
где е - диэлектрическая проницаемость материала частиц; £tab - табулированные значения проницаемости макрообразца; юр - плазменная частота; ю - частота внешнего излучения; ybulk - константа электронной релаксации макрообразца; у - константа электронной релаксации, зависящая от температуры и размера частиц; T0 - начальная температура среды. Это приводит к снижению добротности плазмонного резонанса, а, значит, также и к изменению взаимодействия лазерного изучения с агрегатом при ухудшении резонансных свойств системы. Это является причиной динамических спектральных изменений, проявляющихся лишь за время действия импульса, что особенно характерно в пикосекундном диапазоне длительностей. В разработанной оптодинамической модели взаимодействия агрегатов с импульсным лазерным излучением учитывается достаточно широкий ряд взаимосвязанных термодинамических, оптических, физико-химических, механических процессов. Реализация модели позволит воспроизвести наиболее реалистичную картину процесса фотомодификации.
References
1. Karpov S. V., Popov A. K., Rautian S. G., Safonov V. P., Slabko V. V., Shalaev V. M., Shtokman M. I. Observation of a wavelength- and polarization-selective photomodification of silver clusters // JETP Letters, Vol. 48, No. 10. P. 571-573.
2. Yu-lin Xu. Electromagnetic scattering by an aggregate of spheres // Applied Optics. 1995. Vol. 34, No. 21. P. 4573.
© Ершов А. Е., Гаврилюк А. П., Герасимов В. С.,
Карпов С. В., 2018
