CC BY
36
4. ФОРУМ ПРОЕКТОВ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ И ПРЕПОДАВАТЕЛЕЙ В ОБЛАСТИ IT-ТЕХНОЛОГИЙ «ТЕРРИТОРИЯ СМЫСЛОВ НА КЛЯЗЬМЕ»,
27 ИЮНЯ - 28 АВГУСТА 2016
Всероссийский молодежный образовательный форум «Территория смыслов на Клязьме», 27 июня - 28 августа 2016г. Организаторами Форума являются: Федеральное агентство по делам молодежи; Общественная палата Российской Федерации; Федеральное государственное бюджетное учреждение «Российский центр гражданского и патриотического воспитания детей и молодежи».
Цели и задачи Форума:
- Форум является автономным полевым лагерем с инновационной инфраструктурой, который формирует сообщество талантливых молодых людей из всех субъектов Российской Федерации и иностранных государств.
- Цель Форума - создание условий для самореализации молодых людей и формирование молодежных профессиональных сообществ.
4.1. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СВЕТА С НАНОРАЗМЕРНЫМИ СТРУКТУРАМИ
Притоцкий Егор Михайлович, аспирант, Владимирский Государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, инженер, ФКП «Государственный лазерный полигон «Радуга», Владимир, Россия, E-mail: [email protected]
Притоцкая Анастасия Павловна, аспирант, программист, Владимирский Государственный Университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Владимир, Россия, E-mail: [email protected]
Аннотация: представлены исследования спектральных характеристик серебра на подложке из кварцевого стекла с использованием методов компьютерного моделирования взаимодействия света с наноразмер-ными структурами. Сравнительный анализ оптических характеристик тонких пленок и гранулированных структур (плотноупакованных разноразмерных и неплотноупакованных одноразмерных сфер) из серебра показал, что плотность упаковки и размеры частиц нанометрового масштаба значительно влияют на оптические свойства неоднородных металлических покрытий.
Ключевые слова: видимый свет, неоднородные покрытия, отражение, пропускание, поглощение.
4.1. COMPUTER MODELING OF INTERPLAY OF LIGHT WITH NANOSCALE STRUCTURES
Pritotskiy Egor Michailovich, graduate student, Vladimir State University named after Alexander and Nilolay Stoletovs, engineer, State Laser Proving Groung «Raguga», Vladimir, Russia, E-mail: [email protected]
Pritotskaya Anastasia Pavlovna, graduate student, Vladimir State University named after Alexander and Nilolay Stoletovs, Vladimir, Russia, E-mail: [email protected]
Abstract: Presented researches of the spectral characteristics of silver on quartz glass using computer modeling the interplay of light with nanoscale structures. Comparative analysis of the optical characteristics of thin films and granular structures (tightly packed different size and not tightly packed same size spheres) of the silver showed that the packing density and particle size of the nanometer scale significantly influence on the optical properties nonuniform metal coatings.
Index terms: visible light, non-uniform coating, reflection, transit, absorption.
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕИСТВИЯ СВЕТА С НАНОРАЗМЕРНЫМИ СТРУКТУРАМИ
Притоцкий Е.М., Притоцкая А. П.
Уровень развития науки и техники предъявляет высокие требования к качеству металлических и диэлектрических пленок с различными коэффициентами отражения, пропускания и поглощения на определенной длине электромагнитной волны. Развитие нанотехнологий стимулирует исследование пленок, толщина которых составляет десятки и даже единицы нанометров. Ряд экспериментов и исследований показали, что при очень малых толщинах пленка является существенно неоднородной: ее сплошной характер нарушается, она представляет собой совокупность островков (кластеров) большего или меньшего диаметра, но при увеличении толщины пленки отдельные островки сливаются, а пленка в целом становится сплошной. [1] Для создания компьютерной модели используем расчеты по формулам Френеля (метод тонких слоев) для поглощающего слоя на подложке из диэлектрика, где плоская волна, падающая по нормали на систему с ограничениями: слой бесконечно протяжённый, слой однородный, изотропный, по толщине показатель преломления не меняется. Когда излучение попадает на первую границу раздела, здесь оно частично отражается (r^ и проходит, но поскольку в слое есть поглощение, то амплитуда излучения ослабляется, на второй границе раздела, часть излучения отражается (r2), часть проходит, получаются всё время ослабляющиеся пучки, где rb r2 - френелевские амплитудные коэффициенты отражения на первой и на второй границах раздела. [2]
Из методов компьютерного моделирования явлений электромагнетизма нами был выбран метод FDTD (англ. finit difference time domain), основанный на нестандартной дискретизации уравнений Максвелла во времени и пространстве. [3]
Для сравнения метода тонких слоев и метода FDTD были выбраны тонкие пленки серебра, нанесенные на поверхность прозрачного оптического стекла BK7 (аналог К8). Закон сохранения энергии для энергетических коэффициентов отражения R и прохождения T: rл + хл + AЛ = 1, где Ая - энергетический коэффициент поглощения.
б
Рисунок 1. График зависимости энергетических коэффициентов серебряной пленки толщиной 50 нм на подложке ВК7, где R - отражение, Т - пропускание, А - поглощение, а - метод тонких слоев, б - метод РЭТЭ Метод тонких слоев позволяет рассчитать прохождение света только через однородные слои, но метод РЭТЭ интересен возможностью расчета гранулированных структур с характерным размером кластеров и их плотности расположения.
Рисунок 2. График зависимости энергетического коэффициента прохождения плотноупакованных разноразмерных сфер с диаметрами 10, 30 и 50 нм и пленки толщиной 50 нм (серебро на подложке BK7, метод FDTD)
Все покрытия с гранулами различного диаметра дают отклик в области плазмонного резонанса, но с увеличением размеров отклик также растет. Скейлинг-эффект (англ. Scale) дает нетипичное для
массивных материалов просветление в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне длин волн.
0.8 |-
L d=50 nm - "
S 1=10 nm---
S 1=30 nm .......
S 1=50 nm----_
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Длина волны, мкм
Рисунок 3. График зависимости энергетического коэффициента поглощения пленки толщиной 50 нм и не-плотноупакованных одноразноразмерных сфер диаметром 50 нм с расстояниями между сферами 10, 30 и
50 нм (серебро на подложке BK7, метод FDTD) На рисунке 3 можно видеть увеличение поглощения на частоте плазмонного резонанса серебра в диапазоне 380-400 нм и вторичное поглощение, типичное для серебряных наночастиц в диапазоне 420-440 нм. При расстоянии между частицами в 10 нм энергетический коэффициент поглощения на длине волны 560 нм достигает 25%, что не характерно для сплошных однородных серебряных пленок.
Результаты компьютерного моделирования позволяют сделать вывод о том, что плотность упаковки и размеры частиц нанометрового масштаба значительно влияют на оптические свойства неоднородных металлических покрытий.
Список литературы:
1. Антонец И.В. Отражающие и проводящие свойства тонких металлических пленок и их наноструктура. Режим доступа: http://www.dslib.net/kondensat /otrazhajuwie-i-pravodjawie-svojstva-tonkih-metaNicheskih-plenok-i-ih-nanostruktura.html.
2. Путилин Э.С. Оптические покрытия. Учебное пособие. - С.-П.: СПбГУ ИТМО, 2010. - С. 65.
3. Electromagnetic Template Library. Режим доступа: http://fdtd.kintechlab.com/ru/fdtd.
РЕЦЕНЗИЯ
на статью «Компьютерное моделирование взаимодействия света с наноразмерными структурами» Статья Притоцкого Е.М. и Притоцкой А.П. посвящена исследованию математических и физических методов моделирования взаимодействия света с наноразмер-ными структурами. Актуальность данной статьи обусловлена необходимостью разработки новых материалов и оптических элементов с заданными свойствами с предварительно спроектированными покрытиями на них. Овладение методиками компьютерного моделирования физических свойств покрытий является одной из важных и трудных задач, стоящим перед молодым ученым в области оптоэлектроники и нанотехнологий. Авторами проведена серьезная работа по моделированию оптических свойств тонких пленок по формулам Френеля и методу FDTD, проведен сравнительный анализ методов на сходных показателях преломления и поглощения золотой, медной и серебряной пленок на стекле. Продемонстрированы возможности программного пакета ЕМ^ для моделирования гранулированных структур с характерным размером кластеров и их плотности расположения.
Научная статья Притоцкого Е.М. и Притоцкой А.П. «Компьютерное моделирование взаимодействия света с наноразмерными структурами» соответствует всем требованиям, предъявляемым к работам такого рода. Данная статья рекомендуется для публикации в открытой печати и ранее не публиковалась.
Кандидат физико-математических наук, доцент кафедры прикладной математики и физики ВлГУ имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, начальник лаборатории микроэлектронных технологий ФКП «ГЛП «Радуга» Панков Михаил Александрович
