СЕЧЕНИЕ ФОТОЭМИССИИ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОЧАСТИЦ

SECTION OF PHOTOEMISSION FROM METALLIC NANOPARTICLES
Цитировать:
Юлдашева Н.М., Насиров М.З. СЕЧЕНИЕ ФОТОЭМИССИИ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОЧАСТИЦ // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2022. 8(101). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/14122 (дата обращения: 24.02.2024).
Прочитать статью:
DOI - 10.32743/UniTech.2022.101.8.14122

 

АННОТАЦИЯ

В работе обсуждается фотоэмиссия из металлических наночастиц с учетом возбуждения в них локализованного плазмонного резонанса и изменения электромагнитного поля и массы электрона проводимости на границе металл-внешняя среда. Новым результатом является увеличение фотоэмиссии из слоя наночастиц в несколько раз по сравнению со случаем сплошного слоя металла.

ABSTRACT

In article photoissue from metal nanoparticles in view of excitation in them located plazmon of a resonance both change of an electromagnetic field and weight electron of conductivity on border metal - external environment is discussed. New result is the increase photoissue of a current from a layer nanoparticles in some times in comparison with a case of a continuous layer of metal.

 

Ключевые слова: локализованный нлазмонный резонанс, наночастицы, поверхностная фотоэмиссия

Keywords: located plazmon of a resonance, наночастицы, superficial photoissue

 

Как известно, флуктуация электронной плотности наночастиц металлов имеет резонансную частоту в видимой и инфракрасной частях спектра — локализованный плазменный резонанс (ЛПР). Поэтому основной задачей наноплазмоники является изучение оптических и электрофизических процессов, вызванных ЛПР. ЛПР возникает, когда поверхностные заряды образуют потенциальную яму, а электроны в этой яме колеблются под действием внешнего электромагнитного поля (ЭМ). Частота ЛПР для мелких частиц не зависит от их размера, а зависит от их формы, материала и окружающей среды. На частоте ЛПР плотность энергии внешнего ЭМ внутри наночастицы на несколько порядков выше, чем снаружи. При возбуждении ЛПР наночастица ведет себя как резонатор. Резонансные свойства металлических наночастиц и сбор ЭМ в их окружении позволяют наблюдать множество новых эффектов. На основе этих эффектов были предложены и реализованы оптоэлектронные устройства с плазмонными наночастицами, наноразмерные лазеры, высокоэффективные солнечные элементы [1, 2].

Одним из эффектов, возникающих при возбуждении ЛПР, является фотоэмиссия наночастиц. Фотоэмиссия наночастиц резко отличается от фотоэмиссии макроскопических металлических структур, потому что ЭМ внутри и вокруг наночастиц резко возрастает, а отношение поверхности наночастиц к объему намного выше, чем у макроскопических структур. Потому что большая площадь поверхности и высокая интенсивность ЭМ важны для фотоэмиссии. Таким образом, эмиссия фотоэлектронов на единицу массы наночастиц намного больше, чем у макроскопических структур. Повышение эффективности фотодетекторов за счет наночастиц имеет большое практическое значение. Для определения фотоэмиссии из наночастиц и ее оптимальных параметров необходимо определить сечение фотоэмиссии  [3-5].

Настоящая работа посвящена определению сечения поверхностной фотоэмиссии металлических наночастиц с учетом возбуждения ЛПР и показано, что фотоэмиссия наночастиц более эффективна, чем фотоэмиссия макроструктур. На поверхности металлических фотоприемников созданы микро- и наноструктуры для повышения их эффективности, но так как эти структуры имеют хороший электрический контакт с металлическими оболочками, в них нельзя возбуждать ЛПР и усиливать фотоэмиссию. Увеличение поверхностной фотоэмиссии металлических наночастиц за счет возбуждения ЛПР наблюдалось на практике, но теоретически и систематически этот процесс не изучался [6-8].

В данной работе рассмотрен расчет сечения поверхностной фотоэмиссии с металлических наночастиц с учетом возбуждения ЛПР. Он учитывает скачкообразные изменения электрического поля и массы электрона на поверхности, что приводит к резкому увеличению фотоэмиссии.

Сечение фотоэмиссии металлических наночастиц определяется из выражения [1, 9-12]

                                    (1)

где,

- вероятность фотоэмиссии;

,

-функция, учитывающая скачкообразного изменения электрического поля на границе;

, , ,    - функции, учитывающие деполяризацию ва радиационных потер;

, , - диэлектрические функции нанометалла и кремния  [6, 12].

На основе приведенных выражений составлена программа на Visual Basuc-6.0 для вычисления сечения фотоэмиссии из металлических наночастиц в зависимости от длины волны падающего света. Программа позволяет вводить и изменить энергию выхода, энергию Ферми, приведенную массу электрона, плазмонных параметров, размеров наночастиц и т.п. Особенность программы состоит в том, что результаты расчетов в единой программной среде экспортируются на MS Excel и выражаются не только в табличном, но и в графическом виде [8]. Результаты расчета приведены в виде графиков на рис. 1 – 2.

Результаты расчета спектральной зависимости сечении фотоэлектронной эмиссии (σ) наночастиц металла в кремнии в зависимости от значений взаимной разницы работ выхода Si и металла показывают, что указанный фактор является весьма существенным. Наиболее высокое значение сечения фотоэлектронной эмиссии наблюдается при ΔA=0,2 eV.

По результатам расчета спектральной зависимости сечении фотоэлектронной эмиссии (σ) наночастиц металла (Рис. 1) с размером a=10 nм в кремнии свидетельствует о том, что в качестве материала наночастицы может быть использован не только дорогостоящий золото, а и серебро и медь. Причем наночастицы меди имеют наиболее высокие значения сечения фотоэлектронной эмиссии.

 

Рисунок 1. Результаты расчета спектральной зависимости сечении фотоэлектронной эмиссии (σ) наночастиц металла с размером a=10 нм в кремнии

 

На рис. 2 приведены результаты расчета спектральной зависимости сечении фотоэлектронной эмиссии (σ) наночастиц металла (Сu) в кремнии в зависимости от их размера. Как видно из рисунка, что наиболее высокое значение сечения фотоэлектронной эмиссии достигается при а=4 нм. С ростом размера наночастицы меди сечение фотоэлектронной эмиссии снижается и максимум кривой сдвигается вправо.

 

Рисунок 2. Результаты расчета спектральной зависимости сечении фотоэлектронной эмиссии (σ) наночастиц металла (Сu) в кремнии в зависимости от их размера

 

Таким образом, наиболее значимыми результатами проведенного исследования являются следующие:

  • Разработана программа на Visual Basuc-6.0 для вычисления сечения фотоэлектронной эмиссии из металлических наночастиц в зависимости от длины волны падающего света. Программа позволяет вводить и изменить значения энергии выхода, энергии Ферми, приведенную массу электрона, параметров плазмонных процессов, размеров наночастиц и т. п. Результаты расчетов в единой программной среде экспортируются на MS Excel и выражаются не только в табличном, но и в графическом виде;
  • Определены оптимальные размеры наночастицы металлов для достижения более эффективной реализации эффекта наноплазмоники;
  • Показано, что в качестве материала наночастицы может быть использован не только дорогостоящие золото и серебро, но и медь. Причем наночастицы меди имеют наиболее высокие значения сечения фотоэлектронной эмиссии.

 

Список литературы:

  1. Проценко И.Е., Усков А.В. //УФН, т.182, №5, 2012, с.543-554
  2. Климов В В, Нанолазмоника (М.: Физматлит, 2009)
  3. Novotny L, Hecht В Principles ofNano-optics (Cambridge Univ. Press, 2006)
  4. Brongersma M L, Kik P G Surface Plasmon Nanophotonics (Springer, 2007)
  5. Бродский А М, Гуревич Ю Я Теория электронной эмиссии из металюв (М.: Наука, 1973)
  6. Adachi S, Mori H, Ozaki S Phys. Rev. В 66 153201 (2002)
  7. Weber M. J. Handbook of optical materials (Boca Raton, London, New York, Washington, D.C.: CRC Press, 2003)
  8. С.Р.Алиев, М.З.Насиров, Р.У.Алиев, Л.М.Мадумарова Наноплазмоника в фотовольтаике, Программный продукт для ЭВМ № DGU 03861, 2016.
  9. Р.Алиев, М.Насиров Фотоэмиссия из металлических наночастиц -основа наноплазмонного эффекта. // Научный вестник АГУ, 2017, №2, с.15-19.
  10. Н.Юлдашева, Р.Алиев, М.Насиров Стабилизация характеристик кремниевых солнечных элементов внедрением наночастиц некоторых металлов//East European Scientific Journal, 2020, 4(56), p.67-71.
  11. R.Aliev, M.Nosirov, J.Gulomov, J.Ziyaitdinov Modeling metal nanoparticles influence to properties of silicon solar cells//International journal advansed research, 2020, 8(11), c. 336-345.
  12. N.Nosirov, N.Yuldasheva, S.Matboboeva, M.Mirzakarimova Dielectric functions of metals for nanoplazmonics//German International journal of Modern Sciences, 2022, № 33, р. 48-52.
Информация об авторах

докторант Андижанского государственного университета, Республика Узбекистан, Андижан

Doctoral student at Andijan State University, Republic of Uzbekistan, Andijan

канд. физ.-мат. наук, проф. кафедры физики Андижанского государственного университета, Республика Узбекистан, Андижан

Candidate of Physics and Mathematics science, Professor of the Department of Physics, Andijan State University, Republic of Uzbekistan, Andijan

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-54434 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ахметов Сайранбек Махсутович.
Top