СЕЧЕНИЕ ФОТОЭМИССИИ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОЧАСТИЦ

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.