Curvature-determined enhancement of far-infrared absorption in metallic nanoparticles
DOI (Low Temperature Physics):
https://doi.org/10.1063/10.0044480Ключові слова:
metallic nanoparticles, far-infrared absorption, curvature-controlled absorption, electromagnetic dissipation, surface roughnessАнотація
Досліджено вплив наномасштабної геометрії поверхні на далеке інфрачервоне поглинання в металевих наночастинках. У квазістатичному режимі електромагнітну дисипацію подано в межах поверхневого формалізму, в якому поглинена потужність визначається просторовим розподілом електричного поля на межі частинки. Показано, що ділянки з малою локальною кривиною істотно підсилюють як нормальні, так і дотичні компоненти електричного поля, зумовлюючи геометричне посилення поглинання. Для частинок із малим мінімальним радіусом кривини rc внесок електричного диполя масштабується приблизно як 
, де є внеском Друде, R — радіус частинки. Крім того, шорсткість поверхні спричиняє виникнення ефективної анізотропної провідності в тонкому приповерхневому шарі, завдяки чому дотичні компоненти електричного поля можуть збуджувати поверхневі струми. Це відкриває додатковий канал дисипації, який у далекій інфрачервоній області може перевищувати звичайне поглинання, зумовлене магнітним дипольним внеском. Передбачене посилення узгоджується з експериментальними спостереженнями надлишкового поглинання в металевих наночастинках. Отримані результати свідчать про те, що наномасштабна кривина поверхні є фундаментальним геометричним параметром, який визначає електромагнітну дисипацію в металевих наноструктурах.
Посилання
1. G. Mie, “Beiträge zur optik trüber medien, speziell kolloidaler metallösungen,” Ann. Phys. 25, 377 (1908). https://doi.org/10.1002/andp.19083300302
2. C. F. Bohren and D. R. Huffman, Absorption and Scattering of Light by Small Particles (Wiley and Sons, 2008).
3. U. Kreibig and M. Vollmer, Optical Properties of Metal Clusters (Springer, 1995).
4. S. A. Maier Plasmonics: Fundamentals and Applications (Springer, 2007).
5. S. Link and M. A. El-Sayed, “Optical properties and ultrafast dynamics of metallic nanocrystals,” Ann. Rev. Phys. Chem. 54, 331 (2003). https://doi.org/10.1146/annurev.physchem.54.011002.103759
6. D. B. Tanner, A. J. Sievers, and R. A. Buhrman, “Far-infrared absorption in small metallic particles,” Phys. Rev. B 11, 422 (1975). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.11.1330
7. G. L. Carr, R. L. Henry, N. E. Russell, J. C. Garland, and D. B. Tanner, “Anomalous far-infrared absorption in random small-particle composites,” Phys. Rev. B 24, 639 (1981). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.24.777
8. Y. H. Kim and D. B. Tanner, “Far-infrared absorption by aluminum small particles,” Phys. Rev. B 39, 3585 (1989). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.39.3585
9. A. Y. Vorobyev, A. N. Topkov, O. V. Gurin, V. A. Svich, and C. Guo, “Enhanced absorption of metals over ultrabroad electromagnetic spectrum,” Appl. Phys. Lett. 95, 121106 (2009). https://doi.org/10.1063/1.3227668
10. K. Fuchs, “The conductivity of thin metallic films according to the electron theory of metals,” Proc. Cambridge Philos. Soc. 34, 100 (1938). https://doi.org/10.1017/S0305004100019952
11. E. H. Sondheimer, “The mean free path of electrons in metals,” Adv. Phys. 1, 1 (1952). https://doi.org/10.1080/00018735200101151
12. U. Kreibig, “Electronic properties of small silver particles: The optical constants and their temperature dependence,” J. Phys. F: Metal Phys. 4, 999 (1974). https://doi.org/10.1088/0305-4608/4/7/007
13. K. N. Afanasev, I. A. Boginskaya, A. V. Dorofeenko, A. V. Gusev, K. A. Mailyan, A. V. Pebalk, V. N. Chvalun, S. A. Ozerin, M. V. Sedova, I. A. Rodionov, W. V. Pogosov, and I. A. Ryzhikov, “Poly(p-xylylene)silver nanocomposites: Optical, radiative, and structural properties,” IEEE Trans. Nanotechnol. 16, 274 (2017). https://doi.org/10.1109/TNANO.2017.2661323
14. D. A. G. Bruggeman, “Calculation of various physics constants in heterogeneous substances. I. dielectric constants and conductivity of mixed bodies from isotropic substances,” Ann. Phys. 416, 636 (1935). https://doi.org/10.1002/andp.19354160705
15. D. Stroud, “Generalized effective-medium approach to the conductivity of an inhomogeneous material,” Phys. Rev. B 12, 3368 (1975). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.12.3368
16. V. P. Kurbatsky and V. V. Pogosov, “Optical low-frequency absorption of small metal particles,” Techn. Phys. Lett. 26, 1020 (2000). https://doi.org/10.1134/1.1329702
17. V. P. Kurbatsky, A. V. Korotun, and V. V. Pogosov, “Effect of quantization of the electron spectrum of small metallic particles on optical absorption in composite materials,” Techn. Phys. 57, 1311 (2012). https://doi.org/10.1134/S1063784212090174
18. N. I. Grigorchuk and P. M. Tomchuk, “Magnetic absorption of electromagnetic waves by a small metallic particle of ellipsoidal form,” Low Temp. Phys. 31, 411 (2005) [Fiz. Nizk. Temp. 31, 542 (2005)]. https://doi.org/10.1063/1.1925368
19. P. M. Tomchuk and N. I. Grigorchuk, “Shape and size effects on the energy absorption by small metallic particles,” Phys. Rev. B 73, 155423 (2006). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.73.155423
20. N. I. Grigorchuk and P. M. Tomchuk, “Optical and transport properties of spheroidal metal nanoparticles with account for the surface effect,” Phys. Rev. B 84, 085448 (2011). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.84.085448
21. L. D. Landau and E. M. Lifshitz, Electrodynamics of Continuous Media (Pergamon, 1984).
22. J. D. Jackson, Classical Electrodynamics (Wiley, 1999).
23. E. Simanek, “Effect of an oxide coating on the infrared and visible absorption of small silver particles,” Phys. Rev. Lett. 38, 1161 (1977). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.38.1161
24. T. P. Martin, “Shells of atoms,” Phys. Rep. 273, 199 (1996). https://doi.org/10.1016/0370-1573(95)00083-6
