научная статья по теме МОДЕЛИРОВАНИЕ СПЕКТРОВ ПОГЛОЩЕНИЯ ПАР НАНОЧАСТИЦ Физика

Текст научной статьи на тему «МОДЕЛИРОВАНИЕ СПЕКТРОВ ПОГЛОЩЕНИЯ ПАР НАНОЧАСТИЦ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 2, с. 208-212

УДК 535.343.9

МОДЕЛИРОВАНИЕ СПЕКТРОВ ПОГЛОЩЕНИЯ ПАР НАНОЧАСТИЦ © 2015 г. Н. В. Абузова, А. С. Ципотан, В. В. Слабко

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Сибирский федеральный университет", Красноярск E-mail: sci_box@mail.ru

В диполь-дипольном приближении проведено моделирование спектров поглощения пары частиц, обладающих одиночными резонансными переходами. Полученные результаты могут быть использованы при анализе спектров образцов, полученных в ходе формирования пар квазирезонансным лазерным излучением.

DOI: 10.7868/S0367676515020039

ВВЕДЕНИЕ

В последнее десятилетие большое внимание ученых привлекают наночастицы и более сложные комплексы на их основе, обладающие уникальными физическими и химическими свойствами [1—6]. На данный момент времени наиболее привлекательным, слабо исследованным методом получения структур, является самоорганизация, поскольку она позволяет формировать достаточно сложные комплексы с наименьшими затратами. Здесь следует привести ряд работ, посвященных формированию структур состоящих из наночастиц методами самоорганизации [7—12]. Большое внимание ученых привлекает самоорганизация, основанная на селективных химических взаимодействиях молекул [10—15]. Перспективным развитием данного направления является самоорганизация, основанная на физических воздействиях [7]. Она позволяет контролировать как процесс роста структур, так и их форму, а следовательно, и свойства.

В работах авторов [16, 17] был предложен метод самосборки наноструктур из квазирезонансных на-ночастиц в поле лазерного излучения. Моделирование такого процесса в приближении броуновской динамики, проведенное в работе [18], позволило оценить параметры лазерного излучения, необходимого для преодоления потенциального барьера, препятствующего спонтанной агрегации, и для последующего формирования структуры из пары частиц за счет сил Ван-дер-Ваальса. Было показано, что для проведения предварительных экспериментов по формированию структур с заранее заданной конфигурацией, состоящей из пары полупроводниковых наночастиц (квантовых точек), можно использовать импульсный лазер с длительностью импульса порядка 10 нс и интенсивностью порядка 106 Вт/см2, генерирующему перестраиваемое в области первых резонансов квантовых точек. Естественно, что для предварительных экспериментов желательно выбрать достаточно простой и экспрессный метод, позволяющий зафиксировать на-

личие формируемой структуры в виде пары квантовых точек, без нарушения свойств исследуемого объекта. Этим требованиям может удовлетворять метод оптической спектроскопии как поглощения, так и люминесценции.

Действительно, как показали выполненные ранее расчеты, образование пары частиц сопровождается изменением спектральных свойств ансамбля частиц, содержащих как одиночные частицы, так и их пары.

Стоит упомянуть о том, что формирование пар частиц под действием оптического излучения на основе фотохимических реакций исследовалось в работе [19], а также в поле градиентного лазерного излучения [20, 21].

В данной работе в рамках диполь-дипольного приближения проведен расчет усредненных по ориентациям спектров поглощения, для двух случайно ориентированных в пространстве наноча-стиц, в зависимости от различных параметров, таких как расстояние между частицами и ширин пиков поглощения изолированных частиц.

РАСЧЕТНАЯ МОДЕЛЬ

Рассмотрим случай взаимодействия ансамбля наночастиц с радиусом Я в трехмерной системе координат с расстоянием между ними г у, находящегося в гармоническом поле лазерного излучения

Е = Ес ехр(/ш? + кт) с амплитудой Е0 и частотой ю. Предполагая, что размеры ансамбля много меньше длины волны внешнего поля, слагаемым к1 можно пренебречь. Тогда осциллирующие диполь-ные моменты с частотой ю, наведенные на частицах, существенно влияют на дипольный момент каждой из них. В этом случае вектор дипольного момента с частотой ю, наведенный на /-й частице, можно представить как

г \

3/ =Хс/ Е + ХЕ- , (1)

V М

здесь Хо, = |—12|2/й ( + ¿Г) — линейная поляризуемость изолированной частицы в принятой здесь

двухуровневой схеме, — квадрат модуля элек-тродипольного момента перехода 1-й частицы между состояниями 1 и 2, О = ю0;-—ю — отстройка от резонанса, й — постоянная Планка, Г, = сАХ ¡/ X2 — однородная ширина линии, АХ,- — ширина полосы поглощения на полувысоте, Х^ — резонансная длина волны изолированной частицы, Еу — поле, создаваемое у-й частицей ансамбля в точке расположения 1-й частицы:

ЕГ =■

ГУ

5 Г-

ч

(2)

где г у = г — Гу — расстояние между 1-й иу-й частицами.

В трехмерном пространстве, для пары частиц в ансамбле, проекции на оси х, у и г поля диполя 1-й частицы с учетом места расположения 2-й частицы будут иметь вид

Ех1 =

Еу1 =

Еа =

Ъйх1г1 + Ъйу2ГуГх + -йх1Г Г

З^Гу2 + 3йх1ГхГу + -йу2Г2

г1 + 3йх2ГхГ1 + 3йу1ГуГ1 ——¿¡г2

(3)

Поскольку задача для двух частиц в пространстве является симметричной относительно перестановки частиц, проекции поля диполя на оси х, у и г 2-й частицы получаются из (3) путем перестановки индексов.

Удобно рассмотреть систему, состоящую из пары частиц, направив вектор поляризации внешнего поля вдоль оси г. Согласно системе уравнений (3) и выражению (1), получаем систему для нахождения дипольных моментов частиц

—х1. X 0 -—х2 (3Гх2 - 5 Г 2 г ) 3г г л у'х —у2 5 г 3г г г) -"гх — ¿2 5 г = Е ео8 а,

—х2 Хо ——х1 (3Гх2 - 5 Г 2ч г ) 3г г ^ -"/х —у1 5 г 3г г ай 5 г = Е ео8 а,

—у1 Хо - —у 2 (3Гу2 - 5 Г 2ч г ) 3г г — у ах2 5 г 3г г — 1 у —¿2 5 г = Е ео8 р,

—у! Хо —у1 (3Гу2 - 5 Г 2ч г ) 3г г Л х'у — х1 5 г 3г г — ¿у г = Е ео8 р,

—й. X 0 2 (3гг2 - 5 Г 2ч г ) 3г г ,7 -"х'г "х2 5 г 3г г — у г — у2 5 г = Е ео8 у,

—¿2 X 0 (3гг2 - 5 Г 2ч г ) 3г г ,7 -"х'г "х1 5 " г 3г г — у1 — у1 5 г = Е ео8 у,

(4)

У

Поглощение, усл. ед. 2.5

2.0 1.5 1.0 0.5

" ; ✓1 «

1 - 1 / I/

,7 Л^з

- ! \ %С\/'4 1Д \ \ . / \ \ \ \\ \

■ 1 , 1 , 1 . —1

0 400

500

600

700 800 X, нм

Рис. 1. а — схема взаимного расположения пары частиц; б — усредненные спектры поглощения пар монорезонансных наночастиц в зависимости от расстояния Гу между частицами в парах. Кривая 1 соответствует исходному спектру невзаимодействующих частиц. Кривая 2 — г у = 14 нм, 3 — 12 нм, 4 — г у = 10 нм.

где

Г

Хт - Хт

=1

у2

2

-у1,

гг =

¿2 - ¿1,

гХ + г2 + г2, а — угол между вектором поляри-

у ' ч

зации внешнего светового поля Е и прямой, соединяющей центры частиц (рис. 1а).

Систему уравнений решались численными методами. Легко показать, что спектры поглощения соответствуют перенормированной мнимой части восприимчивости (XX) для всех компонент поля и рассчитываются следующим образом:

1т х х = 1ш(—х1 + —),

Р ТГ £х £х

1т х у = 1т(—Е1 + —у2),

Е у Е у

1т Xг = 1т(-

—¿1 + —

¿2

а

х

5

5

Г

5

Г

2

2

2

2

Г = ' х

210

АБУЗОВА и др.

Поглощение, усл. ед. 2.5 г

2.0

1.5

1.0

0.5

- м 1 \\ п

~ 1 Ч

/' Ч 1 и ¡' л

1 \ \

Ч 'и - 'У . 1 1 1 1 1 1 —1

400

500

600

700

800

X, нм

Рис. 2. Усредненные спектры поглощения пар монорезонансных наночастиц в зависимости от ширин пиков поглощения на полувысоте 1 — ЛА = 30 нм, ЛА2 = 5 нм; 2—ЛА1 = 30 нм, Ла2 = 10 нм; 3 — ЛА1 = 30 нм, ЛА2 = 30 нм. Вертикальной линией обозначена резонансная длина волны.

Спектр поглощения случайно ориентированных в пространстве частиц получали усреднением компонент по всем возможным ориентациям. Схема расчетов представлена на рис. 1а.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ

В данной работе рассмотрена эволюция спектров поглощения пары частиц в зависимости от расстояния между частицами и взаимных ширин линий изолированных частиц. Выявление особенностей изменений спектров поглощения при взаимодействии такой структуры позволит выявить характерные особенности, которые в дальнейшем будут применяться для анализа образцов, полученных в ходе экспериментов по самоорганизации.

В расчетах использовали следующие параметры среды и поля: амплитуда напряженности поля Е = 200 ед. СГС, температура среды Т = 300 К.

На рис. 1 приведены расчеты усредненного спектра поглощения пары частиц во внешнем поле в зависимости от расстояния между частицами, вертикальной линией обозначена резонансная длина волны изолированной частицы. Дипольный момент перехода, резонансная частота перехода, ширина линий и размер полупроводниковых на-ночастиц были получены из [22]. Для квантовой

|2 ! П1 1П-31^.™3

точки Сё8е = 1.91 • 10— ДА = 30 нм, Я = 5 нм.

эрг • см3, Аг = 520 нм,

Как видно из рис. 1, при уменьшении расстояния между частицами влияние локального поля, наводимого первой на второй и наоборот, увеличивается. При этом одиночный пик, соответствующий невзаимодействующим частицам, уширяется, и максимум его сдвигается в красную область спектра. При дальнейшем уменьшении расстояния между частицами формируются два отчетливо видимых максимума. При этом один максимум смещается в красную область, другой — в синюю относительно максимума изолированной частицы. Несимметричный сдвиг максимумов поглощения в красной и синей областях относительно спектра поглощения отдельной частицы обусловлен более сильным взаимодействием х-компонен-ты дипольных моментов по сравнению с г-компо-нентой [17]. Таким образом, при наличии в исследуемом образце структуры, состоящей из пары частиц, спектр его поглощения будет иметь сложный характер, обусловленный тремя полосами поглощения. Центральная полоса поглощения будет соответствовать непроагрегировавшим изолированным частицам, а две крайние полосы — агрегатам состоящим из пар частиц. Вычитанием из спектра поглощения образца спектра поглощения изолированных частиц можно получить усредненный по ориентациям спектр пары частиц, что будет свидетельствовать о ее наличии, а также позволяет получить количественные оценки числа саг-регировавшихся пар.

На рис. 2 приведены усредненные спектры поглощения пары частиц, обладающих одинаковыми длинами волн переходов (520 нм), но различными ширинами, при фиксированном расстоянии между центрами (10 нм).

Как видно из рис. 2, наличие в сформировавшейся паре частицы с б

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком