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
G. Mie, “Beiträge zur optik trüber medien, speziell kolloidaler metallösungen,” Ann. Phys. 25, 377 (1908). https://doi.org/10.1002/andp.19083300302
C. F. Bohren and D. R. Huffman, Absorption and Scattering of Light by Small Particles (Wiley and Sons, 2008).
U. Kreibig and M. Vollmer, Optical Properties of Metal Clusters (Springer, 1995).
S. A. Maier Plasmonics: Fundamentals and Applications (Springer, 2007).
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
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
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
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
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
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
E. H. Sondheimer, “The mean free path of electrons in metals,” Adv. Phys. 1, 1 (1952). https://doi.org/10.1080/00018735200101151
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
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
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
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
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
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
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
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
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
L. D. Landau and E. M. Lifshitz, Electrodynamics of Continuous Media (Pergamon, 1984).
J. D. Jackson, Classical Electrodynamics (Wiley, 1999).
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
T. P. Martin, “Shells of atoms,” Phys. Rep. 273, 199 (1996). https://doi.org/10.1016/0370-1573(95)00083-6
