Підвищення ефективності збору світла за допомогою наночастинок металу

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.228806

Ключові слова:

наночастинки срібла, ЛППР, збір світла, оптичний відгук, утримання світла, посилення поля, наночастинки золота, кремнієва підкладка

Анотація

Наночастинки металу мають велику цінність завдяки своїм оптичним властивостям при взаємодії зі світлом. Наночастинки металу мають здатність обмежувати колективні коливання електронів, які називаються локалізованим поверхневим плазмонним резонансом (ЛППР). У даній роботі для підвищення ефективності збору світла було запропоновано використовувати наночастинки срібла, які можуть бути корисні для різних застосувань. Наночастинки металу, такі як наночастинки золота та срібла, мають здатність концентрувати поле в дуже маленькому просторі. В даному дослідженні за допомогою моделювання в частотній області вивчався оптичний відгук наночастинок золота і срібла. Резонансна довжина хвилі наночастинок золота і срібла становила близько 550 нм і 400 нм відповідно.

Наночастинки срібла показали кращі характеристики ЛППР в порівнянні з наночастинками золота. Тому для посилення оптичного поля були обрані наночастинки срібла. Для посилення оптичного поля наночастинки срібла поміщали на кремнієву підкладку. Для вивчення впливу розміру на оптичний відгук наночастинок срібла були досліджені оптичні властивості цієї структури при різних значеннях діаметра наночастинок срібла. Наночастинки срібла діаметром 40 нм показали кращий оптичний відгук. Для вивчення впливу відстані між наночастинками срібла на оптичний відгук, між наночастинками срібла були встановлені різні значення зазору. Кращий оптичний відгук досягався при величині зазору 4 нм. Отримані результати показали, що локалізоване поле сильно залежить від типу металу, розміру та відстані між наночастинками. Крім того, концентрацію оптичного поля можна контролювати, варіюючи розмір і відстань між наночастинками срібла. Це сприятиме посиленню локалізованого поля. Посилене локалізоване поле дозволить збільшити поглинання поля біля поверхні, що може бути використано в пристроях збору енергії, таких як сонячні елементи і детектори

Біографія автора

Mohammad Tariq Yaseen, University of Mosul

Department of Electrical Engineering

College of Engineering

Посилання

  1. Zhang, C., Tang, N., Shang, L., Fu, L., Wang, W., Xu, F. et. al. (2017). Local surface plasmon enhanced polarization and internal quantum efficiency of deep ultraviolet emissions from AlGaN-based quantum wells. Scientific Reports, 7 (1). doi: https://doi.org/10.1038/s41598-017-02590-7
  2. Wu, F., Sun, H., AJia, I. A., Roqan, I. S., Zhang, D., Dai, J. et. al. (2017). Significant internal quantum efficiency enhancement of GaN/AlGaN multiple quantum wells emitting at ~350 nm via step quantum well structure design. Journal of Physics D: Applied Physics, 50 (24), 245101. doi: https://doi.org/10.1088/1361-6463/aa70dd
  3. Luo, L.-B., Xie, W.-J., Zou, Y.-F., Yu, Y.-Q., Liang, F.-X., Huang, Z.-J., Zhou, K.-Y. (2015). Surface plasmon propelled high-performance CdSe nanoribbons photodetector. Optics Express, 23 (10), 12979. doi: https://doi.org/10.1364/oe.23.012979
  4. Panoiu, N. C., Sha, W. E. I., Lei, D. Y., Li, G.-C. (2018). Nonlinear optics in plasmonic nanostructures. Journal of Optics, 20 (8), 083001. doi: https://doi.org/10.1088/2040-8986/aac8ed
  5. Wilson, W. M., Stewart, J. W., Mikkelsen, M. H. (2018). Surpassing Single Line Width Active Tuning with Photochromic Molecules Coupled to Plasmonic Nanoantennas. Nano Letters, 18 (2), 853–858. doi: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.7b04109
  6. Sugimoto, H., Yashima, S., Fujii, M. (2018). Hybridized Plasmonic Gap Mode of Gold Nanorod on Mirror Nanoantenna for Spectrally Tailored Fluorescence Enhancement. ACS Photonics, 5 (8), 3421–3427. doi: https://doi.org/10.1021/acsphotonics.8b00693
  7. Chen, S., Zhang, Y., Shih, T.-M., Yang, W., Hu, S., Hu, X. et. al. (2018). Plasmon-Induced Magnetic Resonance Enhanced Raman Spectroscopy. Nano Letters, 18 (4), 2209–2216. doi: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.7b04385
  8. Ma, R.-M., Oulton, R. F. (2018). Applications of nanolasers. Nature Nanotechnology, 14 (1), 12–22. doi: https://doi.org/10.1038/s41565-018-0320-y
  9. Zhang, D., Du, Y., Yang, C., Zeng, P., Yu, Y., Xie, Y. et. al. (2020). Tuning plasmonic nanostructures in graphene-based nano-sandwiches using ultraviolet/ozone functionalization. Journal of Materials Science, 56 (2), 1359–1372. doi: https://doi.org/10.1007/s10853-020-05376-x
  10. Norville, C. A., Smith, K. Z., Dawson, J. M. (2020). Parametric optimization of visible wavelength gold lattice geometries for improved plasmon-enhanced fluorescence spectroscopy. Applied Optics, 59 (8), 2308. doi: https://doi.org/10.1364/ao.384653
  11. Tavakkoli Yaraki, M., Daqiqeh Rezaei, S., Tan, Y. N. (2020). Simulation guided design of silver nanostructures for plasmon-enhanced fluorescence, singlet oxygen generation and SERS applications. Physical Chemistry Chemical Physics, 22 (10), 5673–5687. doi: https://doi.org/10.1039/c9cp06029d
  12. Hooshmand, N., Bordley, J. A., El-Sayed, M. A. (2016). The Sensitivity of the Distance Dependent Plasmonic Coupling between Two Nanocubes to their Orientation: Edge-to-Edge versus Face-to-Face. The Journal of Physical Chemistry C, 120 (8), 4564–4570. doi: https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b01102
  13. Zhu, W., Esteban, R., Borisov, A. G., Baumberg, J. J., Nordlander, P., Lezec, H. J. et. al. (2016). Quantum mechanical effects in plasmonic structures with subnanometre gaps. Nature Communications, 7 (1). doi: https://doi.org/10.1038/ncomms11495
  14. Weeraddana, D., Premaratne, M., Andrews, D. L. (2016). Quantum electrodynamics of resonance energy transfer in nanowire systems. Physical Review B, 93 (7). doi: https://doi.org/10.1103/physrevb.93.075151
  15. Yaseen, M. T., Rasheed, A. A. (2021). Aluminum based nanostructures for energy applications. TELKOMNIKA (Telecommunication Computing Electronics and Control), 19 (2), 683. doi: https://doi.org/10.12928/telkomnika.v19i2.18146
  16. Ho, W.-J., Su, S.-Y., Lee, Y.-Y., Syu, H.-J., Lin, C.-F. (2015). Performance-Enhanced Textured Silicon Solar Cells Based on Plasmonic Light Scattering Using Silver and Indium Nanoparticles. Materials, 8 (10), 6668–6676. doi: https://doi.org/10.3390/ma8105330
  17. Dao, V.-D., Choi, H.-S. (2016). Highly-Efficient Plasmon-Enhanced Dye-Sensitized Solar Cells Created by Means of Dry Plasma Reduction. Nanomaterials, 6 (4), 70. doi: https://doi.org/10.3390/nano6040070
  18. Cai, B., Li, X., Zhang, Y., Jia, B. (2016). Significant light absorption enhancement in silicon thin film tandem solar cells with metallic nanoparticles. Nanotechnology, 27 (19), 195401. doi: https://doi.org/10.1088/0957-4484/27/19/195401
  19. Peng, P., Liu, Y.-C., Xu, D., Cao, Q.-T., Lu, G., Gong, Q., Xiao, Y.-F. (2017). Enhancing Coherent Light-Matter Interactions through Microcavity-Engineered Plasmonic Resonances. Physical Review Letters, 119 (23). doi: https://doi.org/10.1103/physrevlett.119.233901
  20. Abdullah, F. Y., Yaseen, M. T., Huseen, Y. M. (2021). Portable heartbeat rate monitoring system by WSN using LabVIEW. International Journal of Computing and Digital Systems, 10 (1), 353–360. doi: http://dx.doi.org/10.12785/ijcds/100135
  21. Flatabø, R., Coste, A., Greve, M. M. (2016). A systematic investigation of the charging effect in scanning electron microscopy for metal nanostructures on insulating substrates. Journal of Microscopy, 265 (3), 287–297. doi: https://doi.org/10.1111/jmi.12497
  22. Hugall, J. T., Singh, A., van Hulst, N. F. (2018). Plasmonic Cavity Coupling. ACS Photonics, 5 (1), 43–53. doi: https://doi.org/10.1021/acsphotonics.7b01139
  23. Vasa, P., Lienau, C. (2017). Strong Light–Matter Interaction in Quantum Emitter/Metal Hybrid Nanostructures. ACS Photonics, 5 (1), 2–23. doi: https://doi.org/10.1021/acsphotonics.7b00650
  24. Chevrier, K., Benoit, J.-M., Symonds, C., Paparone, J., Laverdant, J., Bellessa, J. (2017). Organic Exciton in Strong Coupling with Long-Range Surface Plasmons and Waveguided Modes. ACS Photonics, 5 (1), 80–84. doi: https://doi.org/10.1021/acsphotonics.7b00556
  25. Sun, J., Hu, H., Zheng, D., Zhang, D., Deng, Q., Zhang, S., Xu, H. (2018). Light-Emitting Plexciton: Exploiting Plasmon–Exciton Interaction in the Intermediate Coupling Regime. ACS Nano, 12 (10), 10393–10402. doi: https://doi.org/10.1021/acsnano.8b05880
  26. Huang, Y., Ma, L., Li, J., Zhang, Z. (2017). Nanoparticle-on-mirror cavity modes for huge and/or tunable plasmonic field enhancement. Nanotechnology, 28 (10), 105203. doi: https://doi.org/10.1088/1361-6528/aa5b27
  27. Liu, B., Gong, W., Yu, B., Li, P., Shen, S. (2017). Perfect Thermal Emission by Nanoscale Transmission Line Resonators. Nano Letters, 17 (2), 666–672. doi: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b03616
  28. Neubrech, F., Huck, C., Weber, K., Pucci, A., Giessen, H. (2017). Surface-Enhanced Infrared Spectroscopy Using Resonant Nanoantennas. Chemical Reviews, 117 (7), 5110–5145. doi: https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00743
  29. Martí-Sabaté, M., Torrent, D. (2021). Dipolar Localization of Waves in Twisted Phononic Crystal Plates. Physical Review Applied, 15 (1). doi: https://doi.org/10.1103/physrevapplied.15.l011001
  30. Choi, S. W., Oh, M. W., Park, D. J., Park, S. (2020). A Simulation Study for Field Enhancement due to Multiresonant Localized Surface Plasmon Excitation in the truncated Octahedral Gold Nanoparticle Arrays. Journal of the Korean Physical Society, 77 (12), 1148–1152. doi: https://doi.org/10.3938/jkps.77.1148
  31. Van Tiggelen, B. A., Skipetrov, S. E. (2020). Longitudinal modes in diffusion and localization of light. arXiv.org. URL: https://arxiv.org/pdf/2012.11210.pdf
  32. Liu, S., Xu, Z., Yin, X., Zhao, H. (2020). Analog of multiple electromagnetically induced transparency using double-layered metasurfaces. Scientific Reports, 10 (1). doi: https://doi.org/10.1038/s41598-020-65418-x
  33. Lott, M., Roux, P., Seydoux, L., Tallon, B., Pelat, A., Skipetrov, S., Colombi, A. (2020). Localized modes on a metasurface through multiwave interactions. Physical Review Materials, 4 (6). doi: https://doi.org/10.1103/physrevmaterials.4.065203
  34. Litvin, I. A., Mueller, N. S., Reich, S. (2020). Selective excitation of localized surface plasmons by structured light. Optics Express, 28 (16), 24262. doi: https://doi.org/10.1364/oe.399225
  35. Devaraj, V., Lee, J.-M., Lee, D., Oh, J.-W. (2020). Defining the plasmonic cavity performance based on mode transitions to realize highly efficient device design. Materials Advances, 1 (2), 139–145. doi: https://doi.org/10.1039/d0ma00111b
  36. Chuntonov, L., Rubtsov, I. V. (2020). Surface-enhanced ultrafast two-dimensional vibrational spectroscopy with engineered plasmonic nano-antennas. The Journal of Chemical Physics, 153 (5), 050902. doi: https://doi.org/10.1063/5.0013956
  37. Meng, Y., Zhang, Q., Lei, D., Li, Y., Li, S., Liu, Z. et. al. (2020). Plasmon‐Induced Optical Magnetism in an Ultrathin Metal Nanosphere‐Based Dimer‐on‐Film Nanocavity. Laser & Photonics Reviews, 14 (9), 2000068. doi: https://doi.org/10.1002/lpor.202000068
  38. Fang, R., Vorobyev, A., Guo, C. (2016). Direct visualization of the complete evolution of femtosecond laser-induced surface structural dynamics of metals. Light: Science & Applications, 6 (3), e16256–e16256. doi: https://doi.org/10.1038/lsa.2016.256
  39. Abid, M. I., Wang, L., Chen, Q.-D., Wang, X.-W., Juodkazis, S., Sun, H.-B. (2017). Angle-multiplexed optical printing of biomimetic hierarchical 3D textures. Laser & Photonics Reviews, 11 (2), 1600187. doi: https://doi.org/10.1002/lpor.201600187
  40. Li, X., Hu, Y., Deng, Z., Xu, D., Hou, Y., Lou, Z., Teng, F. (2017). Efficiency improvement of polymer solar cells with random micro-nanostructured back electrode formed by active layer self-aggregation. Organic Electronics, 41, 362–368. doi: https://doi.org/10.1016/j.orgel.2016.11.029
  41. Wang, X., Deng, Y., Li, Q., Huang, Y., Gong, Z., B Tom, K., Yao, J. (2016). Excitation and propagation of surface plasmon polaritons on a non-structured surface with a permittivity gradient. Light: Science & Applications, 5 (12), e16179–e16179. doi: https://doi.org/10.1038/lsa.2016.179
  42. Kats, M. A., Blanchard, R., Genevet, P., Capasso, F. (2012). Nanometre optical coatings based on strong interference effects in highly absorbing media. Nature Materials, 12 (1), 20–24. doi: https://doi.org/10.1038/nmat3443
  43. Sun, T., Metin Akinoglu, E., Guo, C., Paudel, T., Gao, J., Wang, Y. et. al. (2013). Enhanced broad-band extraordinary optical transmission through subwavelength perforated metallic films on strongly polarizable substrates. Applied Physics Letters, 102 (10), 101114. doi: https://doi.org/10.1063/1.4795151

##submission.downloads##

Опубліковано

2021-04-30

Як цитувати

Yaseen, M. T. (2021). Підвищення ефективності збору світла за допомогою наночастинок металу. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2(5 (110), 39–45. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.228806

Номер

Том 2 № 5 (110) (2021): Прикладна фізика

Розділ

Прикладна фізика

Ліцензія

Авторське право (c) 2021 Mohammad Tariq Yaseen

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.