Номоев С.А. Бардаханов С.П. Адам П. Васильевский И.С. Хартаева Э.Ч.
Видимое рассеяние света на кремниевых наночастицах полученных на релятивистском ускорителе электронов
Reporter: Номоев С.А.
В субволновом масштабе обычные оптические элементы, такие как линзы, не являются функциональными, что требует концептуально новых типов наномасштабных оптических устройств. Резонансные плазмонные структуры являются одним из наиболее перспективных решений этой проблемы, из-за их способности захватывать и концентрировать видимый свет на субволновых размерах. Были продемонстрированы различные типы наномасштабных оптических устройств, таких как нанолинзы, нановолноводы, наноантенны на основе металлических наночастиц. Многие из этих функциональных устройств, например, таких как наноантенны, разработаны по аналогии с СВЧ-оптикой, где металлы обычно используются для управления электромагнитным излучением. Ключевыми элементами полностью диэлектрической нанофотоники являются высокоиндексные наночастицы (с высоким показателем преломления), которые поддерживают оптически индуцированные резонансы типа Ми в видимом диапазоне без больших диссипативных потерь, присущих металлическим наноструктурам [1].
В последнее время теоретически проанализированы наноантенны видимого диапазона на основе сферических кремниевых наночастиц, демонстрирующие более высокую эффективность по сравнению с их металлическими аналогами. Однако экспериментальные демонстрации таких антенн были ограничены миллиметровыми масштабами и микроволновыми частотами. Оптические свойства и очень низкие потери по сравнению с металлическими наночастицами делают наночастицы кремния подходящими кандидатами для разработки высокоэффективных наноантенн, метаматериалов с малыми потерями и других нанофотонных устройств.
В работе использовались два вида частиц, созданные двумя разными способами. Первый тип наночастиц кремния со средним размером 20 нм получен с использованием ускорителя электронов ELV-6, который является промышленно используемым устройством. Уникальной особенностью этой установки является система дифференциальной накачки, позволяющая отводить концентрированный электронный пучок из внутреннего вакуумного объема ускорителя непосредственно в атмосферу. Ускоритель имеет энергию электронов 1.4 МэВ; его мощность пучка находится в диапазоне от 0 до 100 кВт (ток пучка до 75 мА), а плотность мощности пучка достигает 5*10^4 Вт/мм^2 на выходе в атмосферу. Благодаря высокой энергии длина свободного пробега электронов в воздухе составляет около 6 м, поэтому этот мощный инструмент позволяет испарять любые материалы при атмосферном давлении [2]. Второй вид кремниевых наночастиц получен методом лазерной абляции, средний размер частиц - 150 нм.
Экспериментально продемонстрировано направленное рассеяние света на наночастицах кремния в видимом спектральном диапазоне и уникальные оптические свойства, возникающие из-за одновременного возбуждения и взаимной интерференции магнитных и электрических дипольных резонансов внутри группы наносфер. Интенсивность Рамановского излучения от наночастиц кремния, полученного с помощью электронного пучка в 30 раз больше, чем у монокристаллического кремния и в 3 раза больше, чем у кремния, полученного методом лазерной абляции.
Из спектра обратного рассеяния мы обнаружили, что для частиц кремния, полученных с помощью электронного пучка, интенсивность пиков электронного и магнитного диполя в 6-9 раз больше, чем у кремния, полученного методом лазерной абляции. Наночастицы кремния, полученные лазерной абляцией, со средним диаметром ~ 150 нм имеют первые два низкочастотных резонанса Ми в видимой области спектра. Эти резонансы соответствуют возбуждению магнитных и электрических дипольных мод. В этом случае рассеянные электромагнитные поля, создаваемые наночастицами Si, могут быть описаны как генерируемые магнитными и электрическими дипольными (точечными) рассеивателями с поляризуемостью, определяемой теорией Ми. Оптически индуцированные магнитные свойства наночастиц Si, продемонстрированные в этой работе, имеют важное значение для реализации изотропных оптических метаматериалов в видимой области спектра. Эти оптические свойства и очень низкие потери по сравнению с плазмонными наночастицами делают наночастицы кремния идеальными кандидатами для создания высокоэффективных наноантенн, метаматериалов с низкими потерями и других новых нанофотонных устройств. Наши результаты подтверждают важность оптически индуцированного магнитного отклика субволновых диэлектрических наночастиц для усиления взаимодействия света с веществом.
Исследование выполнено при финансовой поддержке гранта РФФИ_р №18-42-030004
Литература
[1] Y. Fu, A. Kuznetsov, A. Miroshnichenko, et al. “Directional visible light scattering by silicon nanoparticles”, Nat Commun, 4, 1527 (2013). https://doi.org/10.1038/ncomms2538
[2] М. Д. Ефремов, В. А. Володин, С. П. Бардаханов и др. “Видимая фотолюминесценция нанопорошков кремния, созданных испарением кремния мощным электронным пучком”, Письма в ЖЭТФ, 80:8, 619–622 (2004); JETP Letters, 80:8, 544–547 (2004).
To reports list