Российские исследователи из ЮФУ и РХТУ сделали важный шаг в развитии фотоники, создав и изучив свойства уникального материала с аномально широкой полосой локализованного поверхностного плазмонного резонанса. Основой разработки стали наночастицы золота, сформированные внутри стекла. Новые свойства материала открывают широкие перспективы для создания высокоэффективных устройств, включая солнечные батареи.
а) Эффективность поглощения, рассчитанная для изолированных наночастиц золота и агломератов, содержащих 19, 43 или 87 наночастиц. (b) Эффективности поглощения (левая ось y) и рассеяния (правая ось y), рассчитанные для агломерата из 87 наночастиц (сплошные кривые) и изолированных наночастиц (короткие штрихи) / © Георгий Шахгильдян и др., Ceramics 2024, 7(2), 562-578
Плазмонный резонанс — явление, которое используется в фотонных приборах. Сейчас почти вся техника работает на электронах в полупроводниковых материалах. Идея фотоники — заменить полупроводниковые технологии фотонными, то есть вместо управления электронами, текущими по полупроводниковым схемам, перейти к управлению фотонами. Это сложнее, но выгода может быть невероятной — как по скорости работы такого устройства, так и по его энергоэффективности.
Также эффект плазмонного резонанса используется в различных биомедицинских датчиках. Но как работает плазмонный резонанс? При воздействии света на наночастицу металла возникают колебания электронной плотности внутри вещества. Под воздействием поля электромагнитной волны свободные электроны в металле смещаются в его сторону. При этом электроны притягивают обратно положительно заряженные частицы, и происходит колебание. Частица такого колебания и называется плазмоном.
Как и у любого колебания, у плазмонных колебаний существует резонансная частота, и при определенной частоте волны возникает резонанс, который выражается в резком усилении поглощения металлом света определенной частоты. При этом частота и характер резонанса может меняться при изменении формы и размера наночастиц, а также при «окружении» их диэлектриком — например, стеклом.
Ученые Южного федерального университета вместе с исследователями Российского химико-технологического университета разработали и изучили материал с очень широкой полосой поверхностного плазмонного резонанса — более 1000 нанометров. Это означает, что материал способен поглощать волны в широком спектре частот.
Это наночастицы золота, осажденные на особо чистом стекле на основе оксидов цинка, алюминия и кремния. К тому же было выяснено, что полосу резонанса можно очень точно варьировать (изменять по ширине и «сдвигать» в разные стороны спектра), меняя температуру при синтезе. Исследователи предполагают, что такая аномальная ширина полосы плазмонного резонанса вызвана связью между частицами, которая возникает при разделении фаз термически обработанного стекла.
Новый материал может быть применим в фотонике, биомедицине, а также может использоваться в солнечной энергетике для сбора энергии, приходящей от Солнца в широком интервале длин волн. Он будет способен запасать энергию и отдавать ее на другие элементы — солнечные батареи и нагревательные элементы. Ключевой момент здесь — прозрачность материала.
«В нашем материале в прозрачной матрице стекла присутствуют наночастицы золота, причем эти наночастицы спонтанно формируют группы, и это приводит к появлению необычных свойств — очень широкого диапазона поглощения», — рассказывает доктор физико-математических наук, профессор кафедры теоретической и вычислительной физики ЮФУ Леон Авакян. Исследование, результаты которого опубликованы в журнале Ceramics, поддержано грантами Российского научного фонда.
