CC BY
5ВКВО-2023- СТЕНДОВЫЕ
РЕЗОНАНСНОЕ ПОДАВЛЕНИЕ ОТРАЖЕНИЯ ОТ БРЭГГОВСКОЙ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТНЫМ МОНОСЛОЕМ НАНОЧАСТИЦ
Глухов И.А. и*, Моисеев С.Г. 1,2
1 Ульяновский государственный университет, г. Ульяновск 2 УФИРЭ им. В. А. Котельникова РАН, г. Ульяновск * e-mail: [email protected] DO110.24412/2308-6920-2023-6-377-378
На протяжении вот уже двух десятков лет исследования, основанные на применении фотонно-кристаллических структур, не теряют актуальности. Периодическая модуляция показателя преломления в фотонном кристалле (ФК) приводит к возникновению фотонной запрещенной зоны (ФЗЗ) - интервала частот, в котором электромагнитные волны не могут проходить через структуру и испытывают отражение [1]. Это свойство ФК представляет интерес для практических приложений в оптике и фотонике, так как дает возможность управлять характеристиками оптического излучения в волноводных структурах. Новые интересные эффекты могут быть получены при включении в состав ФК слоя нанокомпозита с металлическим компонентом. Так, металлические наночастицы (НЧ), упорядоченные в 2D или 3D-массивы, могут изменять амплитуду и фазу электромагнитной волны, длина волны которой близка к плазмонному резонансу НЧ [2-4]. Использование композитных сред с несферическими металлическими НЧ позволяет более гибко управлять спектральными и поляризационными характеристиками структуры [5,6]. В настоящей работе показана возможность практически полного подавления отражения в узкой полосе частот в ФЗЗ ФК (брэгговского отражателя) благодаря плазмонному резонансу в двумерном массиве НЧ, размещенном в поверхностном слое.
X
В| М В? А В 1 1 1" 1 1
Падающий /
■■(iillllll
Рис. 1. Рассматриваемая комплексная фотонная структура В1МВ2[АВ]Я, где М - двумерный массив металлических НЧ, А, В, В1 и В2 - изотропные диэлектрические слои, N - число периодов брэгговского отражателя с элементарной ячейкой АВ
Рассматриваемая комплексная фотонная структура (рис. 1) построена на основе одномерного ФК с элементарной ячейкой [AB], где слои А и В выполнены из диэлектрических материалов TiO2 и SiO2 [7,8]. На поверхности ФК имеется пленка SiO2, в которой размещен двумерный массив M серебряных НЧ [9]. Таким образом, вся фотонная структура описывается формулой BlMB2[AB]N, где В1 и В2 -слои толщиной dB1 и dB2, на которые массив НЧ разделяет поверхностный слой. Толщины слоев элементарной ячейки ФК dA и dB соответствуют условию брэгговского резонансного отражения на длине волны А0 = 4dAnA = 4dBnB, где пА и пв - показатели преломления сред А и В соответственно. НЧ образуют упорядоченный двумерный массив с квадратной ячейкой. Все наночастицы имеют форму эллипсоидов вращения (сфероидов) одинакового размера с полярной осью, ориентированной перпендикулярно плоскости массива. Форма НЧ определяется аспектным отношением £ = а / Ь длин полярной а и экваториальной Ь полуосей: £ < 1 соответствует сплюснутому сфероиду, £ > 1 -вытянутому сфероиду, £ = 1 - шару. Размер НЧ много меньше длины волны в среде: длина экваториальной полуоси в расчетах принята равной Ь = 10 нм, длина полярной полуоси может принимать значения в пределах от 5 до 20 нм. Это позволяет использовать для расчета спектров рассеяния массива наночастиц известные аналитические выражения, полученные в дипольном приближении [10]. Спектральные характеристики всей фотонной структуры определены с помощью метода матриц переноса, в котором двумерный массив наночастиц характеризуется собственной нефренелевской матрицей [5,6,11].
ВКВО-202 3 СТЕНДОВЫЕ
За счет согласования параметров слоев ФК, поверхностного диэлектрического слоя и параметров массива НЧ возможно существенное подавление отражения даже в области ФЗЗ, для которой в отсутствии НЧ характерно практически полное отражение световой волны (рис. 2,а). Модификация спектра отражения наблюдается в области плазмонного резонанса массива НЧ и возникает в результате интерференционных эффектов в микрорезонаторах, образованных массивом НЦ М и интерфейсами на границах раздела слоев B1, B2 и ФК. Поскольку в области ФЗЗ ФК не пропускает световую волну, снижение коэффициента отражения сопровождается возрастанием доли энергии, поглощенной массивом НЧ (рис. 2,б). Контроль частоты, на которой наблюдается подавление отражения, возможен за счет изменения частоты плазмонного резонанса НЧ, то есть изменения их аспектного соотношения. Как видно из рис. 2, при аспектном отношении % < 1 (НЧ имеют форму дисков) провал в спектре отражения смещен в сторону больших длин волн относительно случая НЧ шарообразной формы (% = 1), и наоборот - для % > 1 (НЧ имеют форму игл) провал сдвинут в коротковолновую область спектра. Наличие других степеней свободы, связанных с такими параметрами как поверхностная концентрация НЧ, толщина покровного слоя В1, разделяющего слоя В2, толщины и материалы слоев А и В, позволяет контролировать центральную частоту и глубину провала в спектре отражения в широком спектральном диапазоне, в том числе в ближней ИК области.
350 400 450 500 350 400 450 500
wavelength (nm) wavelength (nm)
Рис. 2. Спектры отражения (а) и поглощения (б) комплексной фотонной структуры. Стрелками показано направление возрастания аспектного отношения НЧ: Ç = 0.75,1,1.25. Параметры структуры: b = 10 нм, период двумерного массива НЧ 80 нм, dA = 47 нм, dB = 73 нм, dB1 = 145 нм, dB2 = 218 нм, N = 10
Полученные результаты могут быть использованы при создании фильтров, поляризаторов и поглотителей для наперед заданных частот видимой или ближней ИК областей спектра. Монослой наночастиц в поверхностном слое фотонной структуры в резонансных условиях изменяет характер локализации электромагнитного излучения, что может быть полезным для повышения эффективности тонкопленочных солнечных элементов.
Работа поддержана Министерством науки и высшего образования РФ (государственное задание ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, проект 075-15-2021-581).
Литература
1. Inoue K., Ohtaka K., Photonic Crystals: Physics, Fabrication and Applications (Springer-Verlag, Berlin, 2004)
2. Моисеев С.Г., Остаточников В.А., Квант. электроника 46, 743-748 (2016)
3. Ветров С.Я., Панкин П.С., Тимофеев И.В., Квантовая электроника, 44 (9), 881-884 (2014)
4. Gerasimov V.S., Ershov A.E., Bikbaev R.G., Rasskazov I.L., Timofeev I.V., Polyutov S.P., Karpov S.V., J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 224, 303-308 (2019)
5. Moiseev S.G., Glukhov I.A., Dadoenkova Y.S., Bentivegna F.F.L., JOSA B 36, 1645-1652 (2019)
6. Glukhov I.A., Dadoenkova Y.S., Bentivegna F.F.L., Moiseev S.G., J. Appl. Phys. 128, 053101 (2020)
7. Rodríguez-de Marcos L. V., Larruquert J.I. Méndez, J.A., Aznárez J.A., Opt. Mater. Express 6, 3622-3637 (2016)
8. Jolivet A., Labbé C., Frilay C., Debieu O., Marie P., Horcholle B., Lemarié F., Portier X., Grygiel C., Duprey S., Jadwisienczak W., Ingram D., Upadhyay M., David A., Fouchet A., Lüders U., Cardin J., Appl. Surf. Sci. 608, 155214 (2023)
9. Kreibig U., Vollmer M., Optical Properties of Metal Clusters (Springer, Berlin, 1995)
10. Hollow ay С. L., Mohamed M. A., Kuester E. F., Dienstfrey A., IEEE Trans. Electromagn. Compat. 47, 853-865 (2005)
11. Борн М., Вольф Э., Основы оптики (Наука, Москва, 1973)
