Оптические свойства наностуктур

 

                        Министерство образования  и науки РК

  Евразийский национальный  университет имени  Л.Н.Гумилева

                          Физико-технический  факультет

                           Кафедра техническая  физика

   
 
 
 
 

                 Реферат 
 
 

На  тему: Оптические свойства наносистем. 
 
 
 

                                                                                        Выполнила:

                                                                                       Студентка группы  ТФ-22

                                                                                        Садуова Балжан

                                                                                       Проверил:

                                                                                       Старший преподаватель

                                                                                        Кульназаров И.И. 
 
 
 
 
 
 
 

                  
 
 
 
 
 
 

                        Астана, 2011 год 

Содержание:

Введение.

1.Наносистемы  на основе металлических  нанокластеров  

2. Наносистемы на  основе полупроводниковых  кластеров 

3. Фононные нанокристаллы  и пористый кремний 

4. Полупроводниковые  наноструктуры и  наноустройства

5.Основные  задачи нанофотоники

6.Лампа  Накамуры

7.Лазерный  ключ

8.Волоконные  лазеры

9.Отклонение  света назад

10Литература 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

Нанокластеры  и организованные на их основе наноматериалы 

обладают рядом  особенностей, приводящих к изменению  их оптических  свойств. Нанометровый размер и переход от  массивного твердого тела с зонной структурой к отдельным электронным уровням и ограничение длины свободного пробега носителей за счет влияния поверхности кластера изменяют правила отбора и вызывают появление новых оптических переходов, изменение энергии переходов, изменение времени флюоресценции и люминесценции, увеличение силы

осцилляторов. Другой важный фактор, определяющий свойства наноматериалов, это влияние матрицы и среды нахождения кластеров. На основе таких наноматериалов возможно получение светоперестраиваемых 

диодов и лазеров  с изменением длины волны, получение  ряда нелинейных

оптических наносистем для оптических преобразователей. Упорядочение

нанокластеров в матрице дает возможность создания фотонных  кристаллов, имеющих постоянную решетки, сравнимую с длиной волны видимого света. Нанометровые размеры кластера приводят к появлению нового  эффекта — одноэлектронной проводимости, — к синтезу нанопроволок, созданию новых наноустройств на основе нанодиодов и полевых  транзисторов, нового типа аккумуляторных батарей, конденсаторов и т.д.Оптические наноустройства носят различный характер для нанокластеров металлов и  полупроводников. мы рассмотрим наносистемы на основе металлов и полупроводников с учетом влияния матрицы и межкластерных  взаимодействий. Представляют интерес наноматериалы, приводящие к разного рода нелинейным оптическим эффектам, и фотонные кристаллы.  Наконец будут рассмотрены наноустройства на примере оптических диодов и лазеров.

1.Наносистемы на основе металлических нанокластеров

Спектры поглощения нанокластеров характеризуются  интенсивной 

широкой полосой, которая отсутствует у массивных  материалов. Эта 

полоса связана  с коллективным возбуждением электронов проводимости

(поверхностными  плазмонами) и приводит к замечательной цветовой

гамме от красного цвета до синего для разбавленных коллоидов 

благородных, щелочных и редкоземельных металлов. Плазмонный эффект состоит в резонансном  поглощении нанокластером падающего 

электромагнитного излучения. Под действием электромагнитного поля электроны  проводимости в кластере смещаются относительно положительно заряженного остова. В результате смещения возникает возвращающая сила, 

пропорциональная  величине смещения, подобно тому как  это происходит для 

гармонического осциллятора. При совпадении собственной частоты колебаний электронов и частоты внешнего поля должен наблюдаться резонансный эффект, связанный с возбуждением собственных колебаний электронов.

Описание коллективного  движения электронов на языке квантовой 

механики приводит к понятию элементарных возбуждений  — плазмонов,

обладающих энергией hwo, где wo  >о — собственная частота плазмонов.

Оптические свойства нанокластеров, хотя и определяются 

квантовыми эффектами, тем не менее могут быть описаны  в рамках классической теории Ми [1].

Свойства нанокластеров  и матрицы в наносистеме характеризуются 

комплексной диэлектрической  проницаемостью, которая появляется как 

следствие поглощения электромагнитного излучения с  энергией Е и 

частотой и) в  виде Е = Eoexp{iwt}. Поглощение для N нанокластеров

на единицу  объема можно записать в виде стандартного выражения  

где С и l — сечение поглощения и длина оптического поглощения.

В приближении, когда размер кластера намного меньше длины волны,

сечение поглощения записывается в виде [2]

где V и А соответственно объем сферического кластера и длина 

волны падающего  излучения с частотой ш. Комплексная  диэлектрическая 

проницаемость нанокластера равна 

При малых в2(ш) резонанс и положение максимума  поглощения определяется е\(ш) = -2ет, где ет — диэлектрическая постоянная среды (матрицы). Ширина и высота линии поглощения определяется £2(<ш)-

Кроме того ширина резонанса определяется также величиной  ет.

Профиль линии  поглощения в области резонанса  обладает лоренце-

вой формой и  характеризуется энергией положения  резонансного пика

hu)o и его шириной.  Для нанокластеров с размером  намного меньше 

длины волны  резонансная частота и положение  линии соответствует 

выражению [1]

где п — плотность  электронов, £0 — диэлектрическая постоянная 

вакуума, гас  — эффективная масса электронов проводимости, ет — 

действительная  часть диэлектрической проницаемости  среды (матрицы), \ — 

компонента ет, связанная с межзонными переходами в нанокластере.

Ширина резонанса  определяется соотношением [3]

где vp — фермиевская  скорость электронов, а — постоянная, R — радиус

нанокластера.

Анализ формул A5.1)—A5.5) не дает прямой зависимости  положения 

или сдвига линии  плазмонного поглощения от размера  нанокластера,

но свидетельствует об уширении линии поглощения с уменьшением 

размера кластера, т. е. зависимости Г ~ а/Д, хотя простейшие оценки

за счет возникновения  поверхностных плазмонов приводят к выражению 

Ц) = Ws = Vp/R. С другой стороны, линия поглощения плазмонного 

резонанса уширяется с уменьшением размера кластера согласно 

зависимости Г ^ a/R. Эксперимент подтверждает уширение линии для малых 

нанокластеров, но дает противоречивые данные относительно знака 

влияния размерного эффекта на изменение частоты  плазмонного резонанса.

Как показываю  расчеты и экспериментальные  данные, сдвиг частоты 

резонанса для  нанокластеров металла в матрице  в основном определяется

диэлектрической проницаемостью окружения (матрицы). В  этом 

отношении весьма поучительно рассмотреть расчет такого сдвига и опытные

данные для  наноструктур, которые организуются из кластеров серебра 

с размерами 2 -f 8 нм [4].

С учетом межзонных  переходов для d-электронов и размерных 

эффектов, связанных  с ограничением длины свободного пробега для  свободных электронов, результаты расчета представлены на рис. 15.1 для слабо взаимодействующих кластеров.

Расчеты свидетельствуют  о том, что для кластеров с  размером 8 нм плазмонный пик имеет  минимальную ширину. Уменьшение размера  кластера

приводит к  уменьшению  интенсивности резонансного  поглощения и увеличению  ширины пика. Уравнение A5.2)  показывает, что поглощение 

зависит от диэлектрической  проницаемости среды ет. Расчетные  спектры для кластеров серебра  с размерами 4 нм показывают низкочастотный сдвиг в 

полтора раза по энергии (с 3,46 эВ до 2,29 эВ) с увеличением  величины ет от 1 до 6. Расчеты для  взаимодействующих  кластеров [1] приводят к  расщеплению монолинии  плазмонного  резонанса на несколько  линий, но не изменяют  качественных предсказаний  простой модели. С помощью методики  обратных мицелл были получены нанокластеры серебра с  размерами 4,5, 5,2 и 6,1 нм,  стабилизированные тиолами.  Двумерная и трехмерная кластерная структура была получена после нанесения капель коллоидного 

раствора нанокластеров в гексане на графитовую подложку. Для двухмерной

наноструктуры было найдено, что организация нанокластеров  серебра 

на углеродной подложке сказывается на их оптических свойствах: полоса

поглощения плазмонного  пика сдвигается в сторону более  низких 

энергий (от 2,85 до 2,78 эВ), а ее ширина увеличивается (от 0,9 до 1,3 эВ)

по сравнению  с плазмонным поглощением в коллоидном растворе.

Для того чтобы  проследить изменения в спектрах плазмонного 

резонанса при  переходе от коллоидного раствора кластеров серебра к 

двумерной и  трехмерной структуре, была применена  следующая методика.

На графитовую подложку высаживалось последовательно  возрастающее

количество нанокластеров  серебра с помощью нанесения  различного 

числа капель коллоидного  раствора с последующим высушиванием. При этом было возможно формирование двумерной и трехмерной упорядоченной

кластерной структуры.

На рис. 15.2 представлены оптические спектры первоначального  коллоидного раствора, двумерной  и трехмерной  структур, полученных таким способом. Нанесение на подложку одной капли коллоидного раствора приводит к образованию двумерной наноструктуры с гексагональной сеткой из нанокластеров серебра (рис. 15.2 B)). Спектр поглощения такой структуры

отличается от спектра поглощения в коллоидном растворе: положение

плазмонной полосы поглощения сдвигается на 0,27 эВ, а ее ширина