Оптические свойства нанокластеров, наносистем и наноматериалов

145 
Коллоидные 
растворы 
и 
гранулированные 
пленки 
интенсивно 
окрашиваются из-за оптических свойств наночастиц. Разбавленные коллоидные 
растворы благородных, щелочных и редкоземельных металлов образуют 
цветовую гамму, от красного до синего цветов. Гранулированные пленки золота 
из частиц размером 4 нм имеют максимум поглощения в диапазоне 560-600 нм 
(красный цвет). Гранулированные пленки из металла уменьшают поглощение 
света при переходе из видимого света в инфракрасный диапазон, а массивные 
металлы, наоборот, увеличивают поглощение с ростом длины волны. 
Спектры поглощения металлических нанокластеров характеризуются 
интенсивной широкой полосой, которая отсутствует у массивных материалов. 
Эта полоса связана с коллективным возбуждением электронов проводимости 
(появлением квазичастиц - поверхностных
плазмонов
).
 
При очень высоких частотах электроны проводимости в металлах ведут 
себя как плазма – электрически нейтральный ионизированный газ. В плазме 
твердого тела отрицательные заряды – электроны, положительные заряды-ионы 
решетки. Если кластеры имеют размеры меньше длины волны падающего света, 
и не взаимодействуют друг с другом, то электромагнитная волна вызывает 
колебания электронной плазмы приводящее к её поглощению. При совпадении 
собственной частоты колебаний электронов и частоты внешнего электрического 
поля волны возникает резонансное поглощение металлическим нанокластером,
падающего электромагнитного излучения. Коллективное движение электронов
описывается как газ квазичастиц 
плазмонов,
обладающих энергией 
0

(
0

-
собственная частота плазмонов). 
Плазмонный эффект
состоит в резонансном поглощении нанокластером
падающего электромагнитного излучения. Мнимая часть диэлектрической 
проницаемости ансамбля 10
10
-10
13
наночастиц 
1
2
i
 

 
(дисперсия) обратно 
пропорциональна радиусу 
r
наночастицы 
 
 
,2
A
r

 




, 
где 
,2


- мнимая часть диэлектрической проницаемости макрокристалла,
 
A

-
некоторая функция частоты. 
От размера частиц зависит ширина полосы поглощения и форма её 
низкочастотного края. 
Для вычисления зависимости коэффициента поглощения от длины волны 
используют классическую теорию рассеяния Ми на сферах. Коэффициент 
поглощения 

маленькой сферической частицы металла, находящейся в 
непоглощающей среде [1] 
 
3
2
0
2
2
2
2
1
0
18
2
s
N Vn
n













Где 
s
N
- концентрация сфер объемом 
V
, 
1

,
2

- действительная и мнимая части 
комплексной диэлектрической проницаемости 
1
2
i
 

 
сфер, 
0
n
-показатель 
преломления непоглощающей среды, 

-длина волны падающего света. 

146 
Профиль линии поглощения в области резонанса имеет лоренцову форму. Для 
нанокластеров размером много меньше длины волны, резонансная частота 
определяется формулой


2
2
0
0
2
1
e
m
ne
m





 
, 
где 
n
- плотность электронов, 
0

-электрическая постоянная СИ, 
e
m
- масса 
электрона, 
m

- действительная часть диэлектрической проницаемости среды, 

- компонента 
m

, связанная с межзонными переходами в нанокластере. 
Эксперименты и расчеты показывают, что сдвиг частоты резонанса для 
нанокластеров 
металла 
в 
основном 
определяется 
диэлектрической 
проницаемостью матрицы (окружения нанокластера). Если варьировать 
межкластерное взаимодействие и диэлектрическую проницаемость, можно 
формировать наноматериалы с измененной длиной волны плазмонного 
поглощения и цвета наноструктуры. Туннельное прохождение электрона через 
барьер между нанокластерами в коллоидном растворе может использоваться 
при создании новых наноматериалов. 
Другим 
важным 
для 
технологии 
свойством 
композитных 
металлизированных стекол является 
оптическая нелинейность
- зависимость 
показателей преломления 
n


от интенсивности падающего света 
2
I
E
. 
0
2
n
n
n I


Нелинейные оптические эффекты можно использовать при создании оптических 
ключей, которые станут основными элементами фотонного компьютера. 
Нелинейность 
характеризуется 
поляризацией 
P
под 
действием 
напряженности 
E
электрического поля световой волны
 
 
 


1
2
3
2
3
...
P
E
E
E
 






, 
где 

- диэлектрическая постоянная среды. 
В наноматериалах, включающие нанокластеры золота и серебра, 
плазмонный резонанс возникает при совпадении частот излучения лазера с 
частотой колебания свободных электронов в нанокластерах металлов. Это ведет 
к локализации возбуждения в нанокластерах и к резкому усилению локального 
поля, которое генерируется первичным излучением лазера с напряженностью 
более 
9
10
/
В м
. 
Полимерный нанокомпозит, на основе диацетиленового мономера, 
включающий кластеры золота с размерами около 2 нм, содержащий 7-16 % 
металла, позволял увеличивать в 200 раз оптическую поляризуемость третьего 
порядка 
 
3

. На основе такого нелинейного оптического материала можно 
создавать электронно-оптические преобразователи со значительным усилением. 

жүктеу/скачать 12,63 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: