Обнаружение локализованных плазмонных резонансов в метаматериалах на основе наночастиц As1-zSbz в полупроводниковой матрице
Локализованные поверхностные плазмоны, коллективные возбуждения валентных электронов в металлических наночастицах, могут резонансно усиливать оптические поля в субволновом масштабе в среде, в которую внедрены наночастицы. Условия резонанса зависят от размера, формы и концентрации наночастиц, а также от диэлектрических свойств как самих наночастиц, так и среды. В настоящее время исследования плазмонных наночастиц сосредоточены на широком спектре приложений в физике, химии, оптике, биологии, медицине и т. д., когда необходимо улучшение взаимодействия света и вещества. В частности, системы плазмонных наночастиц, встроенных в полупроводниковую матрицу, могут улучшить эффективность солнечных элементов, создать исключительные линейные и нелинейные оптические свойства и обеспечить сверхбыстрые операции. Наноразмерные плазмонные метаматериалы можно использовать для модификации взаимодействий фотонов с веществом, что необходимо для квантовых информационных технологий, требующих быстрых операций с кубитами. В данной работе мы анализируем возможность реализации локализованного поверхностного плазмонного резонанса в метаматериалах, состоящих из наночастиц As1-zSbz, встроенных в полупроводниковую матрицу AlxGa1-xAs1-ySby. С этой целью мы проводимab initioрасчеты диэлектрической функции материалов As1-zSbz. Изменяя химический составz, мы прослеживаем эволюцию зонной структуры, диэлектрической функции и функции потерь. В рамках теории Ми рассчитаны поляризуемость и оптическое поглощение системы полуметаллических наночастиц в полупроводниковой среде. Показана возможность обеспечения локализованного поверхностного плазмонного резонанса вблизи запрещенной зоны полупроводниковой матрицы встроенной системой наночастиц As1-zSbz, сильно обогащенных Sb. Результаты наших расчетов подтверждаются экспериментальными данными.
Рассчитанные коэффициенты поглощения a для метаматериалов As1-zSbz-AlxGa1-xAs1-ySbyи As-AlxGa1-xAs содержащих Sb, As0.33Sb0.67, As0.67Sb0.33, и As наночастицы в полупроводниковых матрицах (черные, зелёные, синие и красные сплошные линии, соответственно). Экспериментально измеренные коэффициенты поглощения в метаматериалах As1-zSbz-AlxGa1-xAs1-ySbyи As-AlxGa1-xAs показаны пунктирными черными и оранжевыми линиями, соответственно.
Работа частично выполнена в рамках государственного задания ИФПМ СО РАН, тема № FWRW-2022-0001.
Vyacheslav M. Silkin, Sergey V. Eremeev, Vitalii I. Ushanov and Vladimir V. Chaldyshev, "Localized Surface Plasmon Resonance in Metamaterials Composed of As1-zSbzSemimetal Nanoparticles in AlxGa1-xAs1-ySbySemiconductor Matrix", Nanomaterials 13, 1355 (2023).