Оптические свойства нано материалов

Параметры метаматериала подбирались таким образом, чтобы электрические заряды, возникающие при прохождении световой волны на его поверхности и между слоями, изменяли эту волну заданным образом. В результате удалось обеспечить, чтобы лазерный импульс, проходящий через образец, не испытывал фазовый сдвиг, который происходит в обычных материалах из-за того, что скорость света в веществе отличается от скорости света в вакууме и свет неизбежно запаздывает, когда он проходит через стекло или другой материал. Нулевой фазовый сдвиг может быть полезен для создания элементов оптических вычислительных систем.
Кроме того, ученые показали возможность использования метаматериала для повышения эффективности оптических элементов с помощью нелинейной оптики. В перспективе это может быть полезно для получения запутанных пар частиц для квантовых вычислений. Когда два образца от разных лазеров взаимодействуют в образце, излучение на другой длине волны (если бы использовался видимый, а не инфракрасный диапазон, было бы правильно сказать «другой цвет»), и оно одинаково эффективно распространялось в обоих направлениях, хотя в обычных материалах такой свет распространяется в основном в одном направлении.
Нулевой показатель преломления в этой работе соответствовал фазовому сдвигу и не означал, что скорость света в веществе была бесконечной, как это формально следует из определения показателя преломления через скорость света в среде. Это только означает, что фаза выходной волны совпадает с фазой входной волны. Кроме того, поскольку метаматериал представляет собой набор слоев заданной формы, он не может быть адаптирован для создания оптических элементов произвольной формы.
2.3. Наноплазмоника
Наноплазмоника [11,13], или оптика внутри зоны волны излучения, основанная на физических механизмах возбуждения поверхностных плазмонов в металлах при облучении световыми импульсами видимого диапазона электромагнитных излучений. Поверхностные плазмоны - связанные колебания электромагнитного поля и электроны проводимости, распространяющиеся вдоль поверхности проводника. Их можно интерпретировать как электромагнитные волны, захваченные поверхностью металла из-за взаимодействия со свободными электронами. Во время этого взаимодействия электроны проводимости коллективно реагирует на электромагнитные воздействия, и начинают колебаться в резонансе со световой волной. Существует также другая разновидность поверхностных плазмонов, что отражается в другом его названии - плазмон-поляритон: здесь «плазмон» относится к колебаниям заряда на металлический поверхности, а «поляритон» - к электромагнитному полю в диэлектрике.
В серии недавних экспериментальных и теоретических работ обнаружены радикальные изменения в прохождении света через наноотверстия в металлах, что указывает на резкое увеличение по сравнению с обычной оптикой) коэффициенты светопропускания сигнал, включая его усиление. Кроме того, наноструктурирование материалы рядом с наноэкранами и использование массива наноотверстий привести к изменению спектрального состава и направления распространение передаваемого излучения. Тем самым наноструктурные материалы в корне меняют существующие идеи о переносе излучения через вещество.
Физическая причина изменения транспортных свойств Наноструктурные материалы - это возбуждение света волна поверхностных плазмонов в металле, способном распространяться в целом по сравнению с глубиной световой волны в веществе. Интерференция светового излучения на передней и задней поверхности наноструктуры позволяет добиться изменения проходимости и спектральный состав света в широком диапазоне параметров.
Среди областей практического применения металла Наночастицы в первую очередь следует отметить их использование для оптическое обнаружение биологических объектов и для исследований биохимические процессы. Самое важное преимущество этого метод по сравнению с традиционной маркировкой радиоизотопов мгновенный ответ и простота реализации.
Физические основы использования наночастиц металлов в Качество датчиков - это зависимость частоты плазменного резонанса в рассеянное излучение от диэлектрической проницаемости среда (матрица). Следует подчеркнуть, что разбросаны спектр зависит от локальной диэлектрической проницаемости матрицы. Это значительно увеличивает разрешение подход по сравнению с другими оптическими методами. Сдвиг плазмонного резонанса при рассеянии излучения на наночастицах металла определяется локальной концентрацией частицы среды в количестве около 10-16 см3. Количество молекул в Этот объем, вызывающий спектральный сдвиг, очень мал (около нескольких тысяч).

Рис. 8. Наноплазмонный материал – гранотовый феррит
Диэлектрическая проницаемость водной матрицы изменилась за счет растворяя в нем сахарозу - вещества с высоким коэффициентом преломление, чем вода. максимум спектр рассеянного излучения смещен в область больших длин волн («Красное» смещение) с увеличением концентрации сахарозы в воде, т.е. с увеличением показателя преломления матрицы. Анализ показывает, что максимальный спектральный сдвиг линейно зависит от концентрации сахароза, и ее значение соответствует прогнозу Теория Ми.
Таким образом, по смещению максимума в спектре рассеянного фотоизлучения, можно определять концентрацию сахарозы в водном растворе, в который погружена наночастица. Способность обнаруживать небольшие концентрации растворенного вещества, как описано выше, определяется величиной сдвига максимальной спектральной чувствительности установки и ширины плазмонного резонанса. В настоящее время известны экспериментальные случаи обнаружения сдвига максимума спектра оптического излучение при рассеянии на одной наносфере с разрешением до 2 нм.

2.4. Другие эффекты и приложения
Наноматериалы с полупроводниковыми свойствами стали в последние десятилетия привлекать все большее внимание исследователей, работы которых направлены на разработку различных элементов электроники, таких как полевые транзисторы, светоизлучающие диоды, солнечные батареи и ячейки памяти. Например, со времени открытия Сиракавы, МакДиармида и Хигера в 1977 г. способности полиацетилена к легированию (легированию) вплоть до металлического состояния проводимости, π-сопряженные полимеры рассматривается как реальная альтернатива для неорганических полупроводников, в том числе в области солнечной электроники. Однако реальный прогресс в этом направлении стал возможным только с середины 1990-х годов, после разработки нового поколения проводящих сопряженных полимеров, используемых для производства современных полимерных светодиодов и полевых транзисторов. На рис. 9. представлена схема одного из современных видов солнечного элемента на основе органических наноматериалов.

Рис. 9. Пример многослойного солнечного элемента со слоями фотоактивных наноматериалов наноразмерной величины

В этой области привлекает особое внимание прекрасные механические свойства полимеров, их способность к обработке, разнообразие их форм и производных, а также высокий коэффициент поглощения в оптическом диапазоне, что позволяет использовать их в виде ультратонких (всего до нескольких сотен нанометров) пленок. При этом пленки легко наносятся из растворов при обычном давлении на гибкие подложки неограниченной площади, что позволяет изготавливать полимерные солнечные элементы и панели с использованием дешевых методов массового производства, такие как струйная печать и технология roll-to-roll[14.15].
Такие технологии позволяют создавать фотоактивные наноматериалы при простых лабораторных условиях, не прибегая к высоковакуумнфым системам и очистке комнаты.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе рассмотрены основы взаимодействия наноматериалов со светом. Эта область науки в настоящий момент называется фотоникой. В работе изучены основные механизмы взаимодействия света с наноматериалами, такими как наночастицы, фотонные кристаллы, фуллерены, нанотрубки и др.
Рассмотрены основные эффекты, возникающие в наноматериалах при взаимодействии со светом, это квантовые размерные эффекты и их влияние на оптические свойства вещества (с характерным размером 2-10 нм); влияние пространственного предела на условия распространения излучения (понятие фотонных кристаллов, локализация света и т. д., Характерный период или размер неоднородностей составляет 50–200 нм); изменение вероятности квантовых переходов в сложных структурах, на границах раздела диэлектриков, в микрорезонаторах (размер структур 50–200 нм); изменение условий распространения, концентрации излучения и усиление вторичной люминесценции в металлических наноструктурах.
Нанофотоника является одной из перспективных направлений развития науки, техники и технологий, так как позволяет создавать новые материалы для солнечной энергетики, военной промышленности, оптических приборов.
Фотоактивные наноматериалы являются перспективными объектами для синтеза в химической промышленности и науке. Также следует обратить внимание на рост научных работ с применением самосборочных наноструктур природного и искусственного происхождения. Как правило, это в основном органические материалы.

Список использованной литературы
1. Щукин, Е.Д. Коллоидная химия: Учебник для университетов и химико-технологических вузов. – М.: Высш. шк., 2004. – 445 с.
2. Дейрменджан Д. Рассеяние электромагнитного излучения полидисперсными частицами / Перевод с английского. – М.: Мир, 1971. – 167 с.
3. Эскин В.Е. Светорассеяние как метод исследования полимеров // Успехи физических наук. 1964. Т.82. № 4. С. 649–706.
4. Ахманов С.А. Никитин С.Ю. Физическая оптика. – М.: Изд-во Московского университета, 1998. 656 с.
5. Визнюк С.А., Пашинин П.П., Прохоров А.М. и др. // Лазерное разделение расслаивающихся растворов. Письма в ЖЭТФ. 1987. Т. 45.,
вып. 12. С. 559-562.
6. Соколов В. И., Станкевич И. В. Фуллерены - новые аллотропные формы углерода: структура, электронное строение и химические свойства // Успехи химии, т.62 (5), с.455, 1993.
7. Новые направления в исследованиях фуллеренов // Успехи физических наук, т. 164 (9), с. 1007, 1994.
8. Лозовик Ю.В., Попов А.М. Образование и рост углеродных наноструктур – фуллеренов, наночастиц, нанотрубок и конусов // УФН, т. 167 (7), с. 151, 1997.
9. Игнатов А.H. Оптоэлектроника и нанофотоника. – Лань, Спб, Россия,
2011. – 538 стp.
10. Белотелов В.И., Звездин А.К. Фотонные кристаллы и другие метаматериалы. – Бюро Квантум, Москва, Россия, 2006. – 144 стp.
11. Астапенко В.А. Наноплазмоника и метаматериалы. – МФТИ, Москва, Россия, 2011. – 180 стp.
12. Веселаго В.Г. Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями ε и μ // УФН. 1967. Т. 92. С. 517-526.
13. Климов В.В. Наноплазмоника. – ФизМатЛит, Москва, Россия, 2010. – 480 стр.
14. Огнев А.В., Самардак А.С. Спинтроника: физические принципы, устройства, перспективы // Вестник ДВО РАН. 2006. Т. 4. Стр. 70-80.
15. Огнев А.В., Самардак А.С., Воробьев Ю.Д., Чеботкевич Л.А. Магнитная анизотропия Co/Cu/Co пленок с косвенной обменной связью // Физика твердого тела. 2004. Т. 46, вып. 6. С. 1054–1057.












2