Научтруд
Войти
Категория: Нанотехнологии

ПОЛЯРИТОНЫ В НАНОКОМПОЗИТАХ ТИПА МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ НАНОЧАСТИЦЫ - ДИЭЛЕКТРИК

Научный труд разместил:
Irina
16 сентября 2020
Автор: Яцышен Валерий Васильевич

www.volsu.ru

DOI: https://doi.Org/10.15688/NBIT.jvolsu.2019.2.7

УДК 537.87.001 ББК 22.374

ПОЛЯРИТОНЫ В НАНОКОМПОЗИТАХ ТИПА МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ НАНОЧАСТИЦЫ - ДИЭЛЕКТРИК

Валерий Васильевич Яцышен

Доктор технических наук,

профессор кафедры судебной экспертизы и физического материаловедения,

Волгоградский государственный университет

priori@volsu.ru

просп. Университетский, 100, 400062 г. Волгоград, Российская Федерация

Ирина Игоревна Потапова

Магистрант кафедры судебной экспертизы и физического материаловедения,

Волгоградский государственный университет

priori@volsu.ru

просп. Университетский, 100, 400062 г. Волгоград, Российская Федерация

Вячеслав Викторович Шипаев

Магистрант кафедры судебной экспертизы и физического материаловедения,

Волгоградский государственный университет

priori@volsu.ru

просп. Университетский, 100, 400062 г. Волгоград, Российская Федерация

Аннотация. В работе были изучены основные характеристики поверхностных поляритонов в наноматериалах. Были рассмотрены композитные среды типа: ^ наночастицы благородных металлов, распределенные случайным образом в прозрач-^ ной матрице диэлектрика. Построены дисперсионные кривые для поляритонов в таких д- нанокомпозитах. Рассчитаны оптические параметры поверхностного поляритона при

8 нескольких значениях радиуса наночастиц металла и параметра заполнения наноком-В позита. Также расчеты комплексного показателя преломления были сделаны для по9 ляритонов в композитах с наночастицами из различных металлов. Кроме того найдены

К зависимости действительной и мнимой частей комплексного показателя преломления

® нанокомпозита от нормированной частоты для пленок с разными толщинами. Были (0

2 рассчитаны действительные и мнимые части диэлектрической проницаемости для по-£ ляритонов в нескольких металлах. Помимо этого выполнен обзор важных этапов в изу-^ чении поверхностных электромагнитных волн. Показано, что варьирование материалами структуры, размером и концентрацией наночастиц открывает широкие возмож-« ности для управления оптическими свойствами композитных сред и практического их | применения.

Введение

Изучение поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) начал А. Зоммерфельдом в 1899 г., описав случай распространения волны вдоль цилиндрического проводника [8]. Математическое описание ПЭВ получили в 1907 г. благодаря работе И. Ценнека по объяснению дальней радиосвязи [3]. Экспериментальное проявление поверхностных электромагнитных волн на границе металла обнаружено Робертом Вудом в 1912 г. в виде решеточных аномалий Вуда, их интерпретация в терминах поверхностных плазмонных поляритонов дана У. Фано (1941) [12]. Впервые выражение для спектра поляритона получили К.Б. Толпыго [ 10] в 1950 г. и К. Хуанг [13] в 1951 г. в рамках классической теории для двухатомного кубического кристалла в фононной области спектра.

Поверхностные поляритоны (ПП) (англ. surfacepolariton) - это поверхностные электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль границы раздела двух разнородных сред и существующие одновременно в них обеих [5; 14].

Согласно представлению макроскопической теории «.. .при взаимодействии электромагнитной волны с возбуждениями среды возникают связанные волны - поляритонные волны, энергия которых частично состоит из электромагнитной и частично из энергии собственных возбуждений среды» [4].

При удалении от границы двух сред интенсивность таких волн значительно убывает, для линейных сред экспоненциально. На плоской границе раздела сред с одинаковыми физическими свойствами ПП может существовать только при условии, что хотя бы одна из этих сред обладает областью отрицательных значений диэлектрической или магнитной проницаемости (ДП и МП) [1].

Возможность эффективного возбуждения ПЭВ на реальных поверхностях (металлах, полупроводниках, диэлектриках) и влияние ПЭВ на многие фотофизические процессы, протекающие на поверхности исследуемых материалов объясняет важность теоретических и экспериментальных исследований поверхностных поляритонов и их основных характеристик [9].

Среди таких процессов рассеяние света адсорбированными на поверхности частицами, генерация второй гармоники при отражении лазерного излучения от металла, изменение поглощения, фотохимические реакции, а также физико-химические процессы, сопровождающие действие на поверхность интенсивного лазерного излучения, в первую очередь образование поверхностных периодических структур [5].

На базе структур, где возможно возбуждение ПП (плазмонных структур), можно создать оптические устройства и сенсоры, которые будут обладать высокой чувствительностью и компактными размерами [12]. Это имеет большое практическое значение для разработок во многих областях. Например, таких как нелинейная оптика, оптическая спектроскопия, микроскопия высокого разрешения и других [9].

Значительный интерес вызывают металл-диэлектрические структуры, в которых возможно возбуждение ПП. В этих структурах концентрация энергии электромагнитного поля (ЭМП) высока вблизи металлической границы [10]. В настоящее время разработки современной науки в области нанотехнологий предоставляют возможность создавать нано-композитные среды с включениями различной формы, размера, концентрации, а также состоящие из различных материалов [2].

Композитные среды с наночастицами благородных металлов представляют большой практический интерес при разработке широкого спектра оптических устройств. Линейные и нелинейные оптические свойства таких сред определяются плазмонным резонансом металлических наночастиц и свойствами прозрачной матрицы. Возникновение резонанса диэлектрической проницаемости в на-нокомпозите, состоящем из металлических наночастиц, взвешенных в прозрачной матрице. Причем положение резонанса зависит как от диэлектрической проницаемости исходных материалов, так и от концентрации наночас-тиц. Представляет большой интерес, как с прикладной, так и с фундаментальной точки зрения, использование таких нанокомпозитов в качестве материалов фотонных кристаллов.

Расчеты

Рассмотрим задачу: наночастицы распределены в матрице случайным образом, но

однородно. Будем считать, что наночастицы имеют форму шара, с радиусом в пределах нескольких нанометров, что значительно меньше длины волны и глубины проникновения поля в материал. Диэлектрическую проницаемость металла, из которого изготовлены наночастицы, найдем, используя приближение Друде, в следующем виде:

е™(ю)=е» "йуЬ^, (1)

где 80 - постоянная; юр - плазменная частота; gm ю

релаксационная постоянная; у = — - нормированю р

____ _______, = — - нормированное затухание.

Для определенности, в качестве металла мы будем использовать серебро и золото. В дальнейших расчетах используются результаты исследования оптических постоянных

тонких пленок благородных металлов [6] 1972 г., данные из более новой статьи [11], в которой освещаются результаты измерений комплексной диэлектрической проницаемости металлических пленок различной толщины.

Величины, используемые в формуле 1 для серебра по данным работы [3]: е0 = 5, ю р = 9эВ, gm = 0,02эВ.

На рисунке 1 представлены зависимости Re8m(ю) и 1т8п(ю) действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости наночастиц серебра 8 п(ю).

Найдем диэлектрическую проницаемость нанокомпозита 8 . (ю) в следующем виде:

x («>) =

Sd *(l + 2 * x)

1 - x

На рисунке 2 представлены зависимости Res (ю) и Ims (ю), при в, = 2,56,

mix 4 & mix 4 г d & &

Рис. 1. Функции Res (ю) и Ims (ю) для серебряных наночастиц

80
60
40

Ш a. -40

Ag, Emix, f-0.2

L6 0, 11 0, II 0, 16 0, u

-ReEmix ImEmix

Нормированная частота, ш/ыр

Рис. 2. Функции Re8m(ю) и 1т8п(ю) для серебряных наночастиц, взвешенных в прозрачной матрице:

а) при f = 0,2, ел = 2,56

f = 0,2, f = 0,35, f = 0,4, f = 0,5. Кривые на рисунке 2, как видно, имеют резонансный характер. Найдем точки, в которых превращается в ноль, пренебрегая малым р .

1 -/

е0 + 2*еа -/*(е0 -еа)

«20 = «р 11 + е0 *(е0 + 2*еа -/_^>-_еа)

еа *(е0 + 2 *еа + 2 */ -еа))

«10 = « р

Ag/ Еггнх, f=0.35

Ад, Еггнх, f=0.4

А§, Еггнх, (=0.5

Рис. 2. Окончание:

б) при / = 0,35, еа = 2,56; в) при / = 0,4, еа = 2,56; г) при / = 0,5, еа = 2,56

= 0,288 и ^ = 0,355, при f = 0,2, е d = 2,56;

^i0 = 0,265 и = 0,379, при f = 0,35, ed = 2,56; ®p ®p

= 0,256 и ^ = 0,386, при f = 0,4, ed = 2,56;

^i0 = 0,237 и ^ = 0,399, при f = 0,5, е d = 2,56.

В отличие от работы [7], в нашем случае максимальные значения Resmix(ra)max = 64,95912, Ime ^ (ю) max = 54,47379 при f = 0,2, sd = 2,56, что меньше тех же показателей в ранее указанной работе.

В области частот ю10 > ю > ю20 наблюдается отрицательная действительная часть диэлектрической проницаемости (ДП) нанокомпозита. В этих частотах вдоль границы раздела возможно распространение поверхностных волн - поверхностных поляритонов. Следовательно, на-нокомпозит подобен металлу в этой области.

Далее найдены дисперсионные зависимости для действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости композитной среды, представленной в виде наночастиц серебра, распределенные случайно, но однородно в матрице диэлектрика (рис. 3, 4).

На рисунке 5 представлены зависимос-ое е1 (X) и е2 (X) действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости наночастиц золота е т (X) на основе данных из работы [6]. Толщина пленки металла в

Ag, ReNII

Рис. 3. Дисперсионная кривая для действительной части диэлектрической проницаемости нанокомпозита: наночастицы серебра, распределенные случайным образом в прозрачной матрице

Ag, ImNII

L 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 (Л 64 67p 73 76 79

оо/шр

Рис. 4. Дисперсионная кривая для мнимой части диэлектрической проницаемости нанокомпозита: наночастицы серебра, распределенные случайным образом в прозрачной матрице

этом исследовании равна от 18,5 до 50 нм с погрешностью измерений в 0,2 нм.

На рисунке 6, 7 представлены зависимости е1 (X) и е2 (X) действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости наночастиц золота е т (X) на основе данных из работы [11]. Толщина пленок в этом исследовании равна 25 нм, 53 нм и 117 нм.

Затем, для того, чтобы найти диэлектрическую проницаемость нанокомпозита е тх (ю) используем формулу Максвелла-Гарнета [15]:

где ю - частота излучения; f- относительный объем занимаемый наночастицами; е С - диэлектрическая постоянная матрицы, в которую погружаются на-ночастицы (е л = 2,56), е т (ю) - диэлектрическая проницаемость металла, из которого изготовлены наночастицы.

Подставим (1) в (5) и найдем е тхх (ю) в следующем виде:

,(ю) = Д1 + 2 х)

1 - х ,

х (ю)-е

х (ю)+ 2е (

= IДю)+ 2е с

1 (е т - е С )

е_ + 2е,

Рис. 5. Зависимости е1 (X) и е2 (X) действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости наночастиц золота е т (X)

Аи, Ет, 25 пт

Рис. 6. Зависимости е1 (X) и е2 (X) действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости наночастиц золота е т (X) для пленок толщиной:

а) 25 нм

Аи, Ет, 53 пт

Аи, Ет, 117 пт

Рис. 6. Окончание:

б) 53 нм; в) 117 нм

Рис. 7. Зависимости е1 (X) и е2 (X) действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости наночастиц золота е т (X) для пленок с толщинами 25 нм, 53 нм и 117 нм

Зависимости е1тх (X) и е2т,х (X) действи- зита с частицами золота е тХх (X) для плетельной и мнимой частей комплексной ди- нок различной толщины показаны на ри-электрической проницаемости нанокомпо- сунке 8.

Рис. 8. Зависимости е1тХх (X) и е2т1х (X) действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости нанокомпозита с частицами золота е тХх (X)

для пленок толщиной:

а) 25 нм; б) 53 нм; в) 117 нм, при еС = 2,56,1 = 0,5

Кривые на рисунке 9, как видно, имеют резонансный характер (вид кривых аналогичен случаю ионного материала).

Функция е тх (ю) в интервале [ю10,ю20 ] отрицательна. Следовательно, нанокомпозит подобен металлу в этой области. В области частот ю10 > ю > ю20 наблюдается отрицательная действительная часть ДП нанокомпози-та. В этих частотах вдоль границы раздела возможно распространение поверхностных волн - поверхностных поляритонов. Варьирование материалами структуры, размером и концентрацией наночастиц открывает широкие возможности для управления оптическими свойствами нанокомпозитной среды (НКС) и практического их применения.

Дисперсионное уравнение для поверхностного поляритона на границе нанокомпозит-воздух в случае *-поляризации будет иметь вид:

к* = к 0 п*

к0 = ю / с0

Показатель преломления нанокомпозита в случае *-поляризации.

еШх (ю)е0 етйх (ю) + е0

где е0-диэлектрическая проницаемость воздуха (е0 = 1).

На рисунке 10 представлены графики зависимости п и п*2 действительной и мнимой частей комплексного показателя преломАи, Еггпх

150
100

Е <ч

"1 50

1 N

.0 ^ п 10 13 00 18 00

■Е1ггнх, 25 пт = Е1|гнх, 53 пт ■Е1ггнх, 117 пт • Е2тЬ<, 25 пт Е2ггнх, 53 пт Е2ггнх, 117 пт

Рис. 9. Зависимости е1тх (X) и е2тх (X) действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости нанокомпозита с частицами золота е тх (X) для пленок с толщинами 25 нм, 53 нм, 117 нм, при е С = 2,56, I = 0,5

Рис. 10. Зависимости п и п*2 действительной и мнимой частей комплексного показателя преломления нанокомпозита п от нормированной частоты ю/юр в случае ^-поляризации для пленок толщиной:

а) 25 нм;

ления нанокомпозита соответственно от нормированной частоты ю/юр для случая 5-поля-ризации при еа = 2,56, / = 0,5.

Таким образом, как можно видеть из графиков на рисунках 10-18, варьирование материалами структуры, размером и концентрацией на-ночастиц открывает широкие возможности для изменения показателя преломления нанокомпо-зитных сред и практического их применения.

Используя формулу 8 для дисперсионного уравнения для поверхностного поляритона на границе нанокомпозит-воздух получим следующие результаты.

Выводы

В работе были изучены объемные и поверхностные поляритоны в наноматериалах. Поляритонные модели позволяют описать динамику генерации и распространения линейных и нелинейных волн в различных средах в широком частотном диапазоне. На основе

поляритонных моделей удается наиболее полно описать физические механизмы взаимодействия электромагнитного излучения со средой.

Изучение поверхностных поляритонов и их основных характеристик на сегодняшний день представляют важную задачу для создания оптических устройств и сенсоров, которые будут обладать высокой чувствительностью и компактными размерами, для создания оптических линий передачи данных с наноразмерными устройствами генерации и для управления излучением.

Были рассчитаны действительные и мнимые части диэлектрической проницаемости для поляритонов в нанокомпозите. Найдены значения показателя преломления композитного на-номатериала при различных концентрациях металлических наночастиц в матрице диэлектрика. Кроме того построены дисперсионные кривые для нахождения поляритонов в наноком-позитах типа: наночастицы благородных металлов, распределенные случайным образом в прозрачной матрице.

ш/ шр

Аи, пв, 117 пт

0,060 0,110 0,160 0,210 0,260 0,310 0,360 0,410 0,460

ш/ шр

Рис. 10. Окончание:

б) 53 нм; в) 117 нм, при еа = 2,56, / = 0,5

Аи, П5, f=0,5

0,460

• П51, 25 пт »пз1, 53 пт -П51, 117 пт ■П52, 25 пт -ПБ2, 53 пт пб2, 117 пт

Рис. 11. Зависимости п и ns2 действительной и мнимой частей комплексного показателя преломления нанокомпозита п от нормированной частоты ю/юр в случае s-поляризации для пленок толщинами 25 нм, 53 нм, 117 нм, при е л = 2,56, / = 0,5

Аи, пб, f=0,4

0,460

• пб1, 25 пт пб1, 53 пт пб1, 117 пт ■пб2, 25 пт пб2, 53 пт пб2, 117 пт

Рис. 12. Зависимости п и ns2 действительной и мнимой частей комплексного показателя преломления нанокомпозита п от нормированной частоты ю/юр в случае s-поляризации для пленок толщинами 25 нм, 53 нм, 117 нм, при е а = 2,56, / = 0,4

Аи, гю, f=0,3

0,88
0,070 0,120 0,170 0,220 0,270 0,320 0,370 0,420 и>/ шр

■П51, 25пт ■П51, 53 пт •пз1,117 пт ■ П52, 25 пт ■П52, 53 пт П52,117 пт

Рис. 13. Зависимости п и ns2 действительной и мнимой частей комплексного показателя преломления нанокомпозита п от нормированной частоты ю/юр в случае s-поляризации для пленок толщинами 25 нм, 53 нм, 117 нм, при е л = 2,56, / = 0,3

Рис. 14. Зависимости п и п2 действительной и мнимой частей комплексного показателя преломления нанокомпозита п от нормированной частоты ю/юр в случае ¿--поляризации для пленок толщинами 25 нм,

53 нм, 117 нм, при е а = 2,56, f = 0,2

Аи, кэ, f=0,5

к51, 25 пт

-к51, 53 пт

-к51, 117 пт

к52, 25 пт

-к52, 53 пт

к52, 117 пт

Рис. 15. Дисперсионные кривые для действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости нанокомпозита: наночастицы золота, распределенные случайным образом в прозрачной матрице для пленок толщинами 25 нм, 53 нм, 117 нм, при е л = 2,56, / = 0,5

Аи, кБ, f=0,4

■ 1«1, 25 пт ■к51, 53 пт ■кБ1,117 пт •к52, 25 пт

■ к52, 53 пт кБ2,117 пт

Рис. 16. Дисперсионные кривые для действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости нанокомпозита: наночастицы золота, распределенные случайным образом в прозрачной матрице для пленок толщинамиа 25 нм, 53 нм, 117 нм, при е а = 2,56, f = 0,4

Рис. 17. Дисперсионные кривые длядействительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости нанокомпозита: наночастицы золота, распределенные случайным образом в прозрачной матрице для пленок толщинами 25 нм, 53 нм, 117 нм, при s d = 2,56, f = 0,3

Au, ks, f=0,2

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 O)/ oip

• ksi, 25 nm

• ksi, 53 nm -ks, 117 nm ■ks2, 25 nm »ks2, 53 nm

ks2,117 nm

Рис. 18. Дисперсионные кривые для действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости нанокомпозита: наночастицы золота, распределенные случайным образом в прозрачной матрице для пленок толщинами 25 нм, 53 нм, 117 нм, при s d = 2,56, f = 0,2

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Абрамова, А. В. Поверхностные плазмон-поляритоны на границе «металл - диэлектрик» в структурах на основе ниобата лития / А. В. Абрамова, А. Д. Безпалый, А. Н. Тимофеев. - Электрон. текстовые дан. - Режим доступа : https://storage.tusur.ru /Шes/8888%D0%A1%D0%92%D0 %A7%D 0%B8%D0%9A%D0%A013 01_%D0%91 %D0%B 5%D0%B7%D0%BF%D0%B0%D0%BB%D1%8B %00%Б9,%20%00%90%00%Б1%01%80%00%Б0% D0%BC%D0%BE%D0%B2%D0%B0,%20%D0%A 2%Э0%Б8%00%БС%00%БЕ%Э 1%84%00%Б5%00% Б50/(™%Б2^. - Загл. с экрана.
2. Агранович, В. М. Поверхностные поляритоны и волны Брюстера в спектрах экситонной люминесценции / В. М. Агранович, Т. А. Лескова // Письма в ЖЭТФ : сбор. науч. тр. - Институт спектроскопии академии наук СССР, 1979. - Т. 29. -Вып. 2. - С. 151-153.
3. Бабичева, В. Е. Поверхностные плазмон-поляритоны в периодических наноструктурах : ав-тореф. ... дис. на соиск. учен. степ. канд. физ.-мат. наук (01.04.02) / Бабичева Виктория Евгеньевна. -Московский физ.-техн. ин-т (гос. ун-т). - Долгопрудный, 2012.
4. Борн, М. Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф. - СПб. : Москва, 1973. - С. 74-78.
5. Горелик, В. С. Унитарные поляритоны в однородных средах и фотонных кристаллах / В. С. Горелик, В. В. Филатов // Инженерный журнал: наука и инновации, 2013. - Вып. 8. - Электрон. тектовые дан. - Режим доступа: http://engjournal.ru/catalog/ fundamentals/physics/907.html. - Загл. с экрана.
6. Дьяченко, П. Н. Одномерный фотонный кристалл на основе нанокомпозита: металлические наночастицы - диэлектрик / П. Н. Дьяченко, Ю. В. Микляев. - Компьютерная оптика, 2007. -Т. 31, № 1. - С. 31-34.
7. Евсеев, Д. А. Поверхностные плазмон-по-ляритоны на границе диэлектрика и анизотропного нанокомпозита / Д. А. Евсеев, Д. Г. Санников, Д. И. Семенцов. - Радиотехника и Электроника, 2015,Т. 60, № 2. - С. 165-172.
8. Либенсон, М. Н. Поверхностные электромагнитные волны оптического диапазона / М. Н. Либенсон // Соровский образов. журн. - 1996. - № 1. - С. 92-98.
9. Названов, В. Ф. Поверхностные электромагнитные волны оптического диапазона (плазмо-ны-поляритоны): свойства, применение / В. Ф. Названов // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Физика. -2015. - Т. 15. - № 1. - С. 5-14.
10. Толпыго, К. Б. Физические свойства решетки типа каменной соли, построенной из деформируемых ионов / К. Б. Толпыго // ЖЭТФ. - 1950. -Т. 20, вып. 6. - С. 497-509.
11. Abeles F., Borensztein Y., Lopez-Rios T. Adv. Solid State Phys. / Ed. P. Grosse. Springer Berlin Heidelberg 24, 93 (1984). pp. 93-117.
12. Fano, U. Atomic theory of electromagnetic interaction in dense materials / U. Fano // Phys. Rev. -1956. - V 103. - No. 5.- P. 1202-1218.
13.Huang, K. On the interaction between the radiation field and ionic crystals / K. Huang // Proc. Roy. Soc. - 1951. - V. a 208. - P. 352-365.
14. Johnson, P. B. Optical constant of the noble metals / P. B. Johnson, R. W. Christy // Phys. Rev. B, 1972. - V 6. - P. 4370-4379.
15. Optical constants and structural properties of thin gold films / D. I. Yakubovsky, A. V. Arsenin, Y. V. Stebunov, D. Yu. Fedyanin, V. S. Volkov. -OPTICSEXPRESS, 2017. -Vl. 25, No. 21. -IP 25574-25587.

REFERENCES

1. Abramova A.V. Poverkhnostnye plazmon-polyaritony na granitse «metall - dielektrik» v strukturakh na osnove niobata litiya [Surface Plasmon Polaritons at the Metal - Dielectric Boundary in Lithium Niobate-Based Structures]. URL: https://storage.tusur.ru/files8888%D0%A1%D0 %92%D0%A7%D0%B8%D0%9A%D0%A01301_% D0%91%D0%B5%D0%B7%D0%BF%D0%B0%D0 %BB%D1%8B%D0%B9,%20%D0%90%D0%B1 % D1%80%D0 % B0% D0%BC%D0%BE % D0%B2%D0%B0,%20%D0%A2%D0%B8%D0%BC %D0%BE%D1%84%D0%B5%D0%B5%D0%B2.pdf.
2. Agranovich VM., Leskova T.A. Poverkhnostnye polyaritony i volny Bryustera v spektrakh eksitonnoy lyuminestsentsii [Surface Polaritons and Wave Brewster in the Spectra of Exciton Luminescence]. Pisma v ZhETF: sbor. nauch. tr. [Writing to the Journal of Experimental

and Theoretical Physics. Collection of Scientific Works], 1979, vol. 29, iss. 2, pp. 151-153.

3. Babicheva V.E. Poverkhnostnye plazmon-polyaritony v periodicheskikh nanostrukturakh : avtoref.... dis. kand. fiz.-mat. nauk [Surface Plasmon Polaritons in Periodic Nanostructures. Cand. phys.-math. sci. abs. diss.]. Dolgoprudny, 2012.
4. Born M., Volf E. Osnovy optiki [Basics of Optics]. Saint Petersburg, Moscow, 1973, pp. 74-78.
5. Gorelik VS., Filatov VV Unitarnye polyaritony v odnorodnykh sredakh i fotonnykh kristallakh [Unitary Polaritons in Homogeneous Media and Photonic Crystals]. Inzhenernyy zhurnal: nauka i innovatsii [Engineering Journal: Science and Innovation], 2013, iss. 8. URL: http://engjournal.ru/catalog/iundamentals/ physics/907.html, svobodnyj.
6. Dyachenko P.N., Miklyaev Yu.V Odnomernyy fotonnyy kristall na osnove nanokompozita: metallicheskie nanochastitsy - dielektrik [One-Dimensional Photonic Crystal Based on Nanocomposite: Metal Nanoparticles -Dielectric]. Kompyuternaya optika [Computer Optics], 2007, vol. 31, no. 1, pp. 31-34.
7. Evseev D.A., Sannikov D.G., Sementsov D.I. Poverkhnostnye plazmon-polyaritony na granitse dielektrika i anizotropnogo nanokompozita [Surface Plasmon Polaritons at the Boundary of Dielectric and Anisotropic Nanocomposite]. Radiotekhnika i Elektronika [Journal of Communications Technology and Electronics], 2015, vol. 60, no. 2, pp. 165-172.
8. Libenson M.N. Poverkhnostnye elektromagnitnye volny opticheskogo diapazona [Surface Electromagnetic Waves of Optical Range]. Sorovskiyobrazovatelnyy zhurnal [Soros Educational Journal], 1996, no. 1, pp. 92-98.
9. Nazvanov V.F. Poverkhnostnye elektromagnitnye volny opticheskogo diapazona (plazmony-polyaritony): svoystva, primenenie [Surface Electromagnetic Waves of Optical Range (Plasmons-Polaritons): Properties, Application]. Izvestiya Saratovskogo Universiteta. Novaya seriya. Seriya Fizika [Izvestiya of Saratov University. New Series. Series: Physics], 2015, vol. 15, no. 1, pp. 5-14.
10. Tolpygo K.B. Fizicheskie svoystva reshetki tipa kamennoy soli, postroennoy iz deformiruemykh ionov [Physical Properties of a Rock Salt Lattice Constructed from Deformable Ions]. ZhETF [Journal of Experimental and Theoretical Physics], 1950, vol. 20, iss. 6, pp. 497-509.
11. Abeles F., Borensztein Y., Lopez-Rios T. Adv. Solid State Phys. Springer, Berlin; Heidelberg ,1984, pp. 93-117.
12. Fano U. Atomic Theory of Electromagnetic Interaction in Dense Materials. Phys. Rev., 1956, vol. 103, no. 5, pp. 1202-1218.
13. Huang K. On the Interaction Between the Radiation Field and Ionic Crystals. Proc. Roy. Soc., 1951, vol. a 208, pp. 352-365.
14. Johnson P.B., Christy R.W. Optical Constant of the Noble Metals. Phys. Rev. B, 1972, vol. 6, pp. 4370-4379.
15. Yakubovsky D.I., Arsenin A.V., Stebunov Y. V., Fedyanin D.Yu., Volkov V.S. Optical Constants and Structural Properties of Thin Gold Films. OPTICSEXPRESS, 2017, vol. 25, no. 21, pp. 2557425587.

POLARITONS IN NANOCOMPOSITES OF METAL NANOPARTICLES - DIELECTRIC

Valeriy V. Yatsyshen

Doctor of Sciences (Engineering), Professor,

Department of Forensic Science and Physical Materials Science,

Volgograd State University

priori@volsu.ru

Prosp. Universitetsky, 100, 400062 Volgograd, Russian Federation

Irina I. Potapova

Master Student, Department of Forensic Science and Physical Materials Science,

Volgograd State University

priori@volsu.ru

Prosp.Universitetsky, 100, 400062 Volgograd, Russian Federation

Vyacheslav V. Shipaev

Master Student, Department of Forensic Science and Physical Materials Science,

Volgograd State University

priori@volsu.ru

Prosp. Universitetsky, 100, 400062 Volgograd, Russian Federation

Abstract. The article studies the main characteristics of surface polaritons in composite nanomaterials. The authors consider composite media such as noble metal nanoparticles randomly distributed in a transparent dielectric matrix and build dispersion curves of polaritons in such nanocomposites. The paper shows calculating optical parameters of the surface polariton for several values of the radius of metal nanoparticles and the nanocomposite filling parameter. The authors also present the calculations of the complex refractive index for polaritons in composites with nanoparticles of different metals. In addition, the authors find the dependences of the real and imaginary parts of the complex refractive index of the nanocomposite on the normalized frequency for membranes with different thicknesses and calculate real and imaginary parts of dielectric constant for waves in several metals. Besides, the article provides an overview of important stages in the study of surface electromagnetic waves. It shows that the variation of the structure materials, size and concentration of nanoparticles opens wide possibilities for controlling the optical properties of composite mediums and their practical application. The considered nanocomposites are artificially created media whose material parameters can be controlled. The first method consists in changing the relative volume of the nanoparticles filling of the dielectric matrix. The second method consists in changing the dielectric constant of the nanocomposite matrix. The authors emphasize that the dielectric constant of the nanocomposite in this case acquires resonant properties in contrast to the permeability of the nanoparticles themselves.

ПОВЕРХНОСТНЫЙ ПОЛЯРИТОН ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ БЛАГОРОДНЫЕ МЕТАЛЛЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ НАНОЧАСТИЦА НАНОКОМПОЗИТ surface polariton refractive index noble metals dielectric constant