X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Новые композиционные материалы, появляющиеся вследствие стремления к совершенствованию уже существующих материалов и изделий, открывают широкие возможности для реализации перспективных конструктивных решений, технологических процессов, а также использования эффективных методов анализа, моделирования и прогнозирования. Перспективным направлением развития полупроводниковой оптоэлектроники является исследование и использование свойств композитных металл-полупроводниковых гетероструктур[1].

В этой работе рассматривается нанокомпозтная структура сферической формы. Данная форма изображена на рис.1,здесь показана матрица, которая содержит наночастицы сферической формы. В данной работе рассмотрены наночастицы металла серебра и полупроводниковые наночастицы.

 

Матрица

Включения

сферической формы

 

Рис.1 Нанокомпозитная структура с включениями сферической формы

Будем считать, что наночастицы металла серебра 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:

(1)

Где – решеточная постоянная ( = 5 эВ для серебра),

-плазменная частота (=9 эВ для серебра),

-релаксационная постоянная (=0.2 эВ для серебра).

Отсюда видно, что диэлектрическая проницаемость металла зависит от частоты.

 

Рис.2 График зависимости действительной части диэлектрической проницаемости наночастицы серебра от частоты излучения

На рис.2 показаны результаты расчета действительной части диэлектрической проницаемости наночастицы металла серебра от частоты. Мы видим, что при частотах меньше плазменных диэлектрическая проницаемость имеет отрицательные значения. А при частотах больше частоты плазменной положительна, что и является характерно для металла.

 

Рис. 3 График зависимости мнимой части диэлектрической проницаемости наночастицы серебра от частоты излучения

На рис.3показаны результаты расчета зависимости мнимой части диэлектрической проницаемости наночастицы металла серебра от частоты. Там где диэлектрическая проницаемость отрицательна там мнимая часть большая. Это говорит о большом затухании в этой области, а там где диэлектрическая проницаемость положительна мнимая часть маленькая, в этой области затухание наименьшее.

А так же рассмотрим полупроводниковые наночастицы сферической формы. Полупроводники относятся к анизатропным средам и поэтому свойство анизатропных сред зависит от направления. В отличие от изотропных диэлектриков, характеризующиеся одним значение , а в анизатропных средах диэлектрическая проницаемость становится тензором , компоненты которого является матрица 3×3.В формуле 2 приведен тензор диэлектрической проницаемости полупроводника, помещенного во внешнее магнитное поле[2]

(2)

Компоненты тензора диэлектрической проницаемости:

					(3)
				(4)
			(5)

Где -решеточная часть диэлектрической проницаемости,

и –плазменная и циклотронная частота,

- концентрация носителей в магнитном полупроводнике,

 

Рис.4 Частотная зависимость компонент тензора диэлектрической проницаемости полупроводника

 

Рис.5 Частотная зависимость компонент тензора диэлектрической проницаемости полупроводника

 

Рис.6 Частотная зависимость компонент тензора ɛ диэлектрической проницаемости полупроводника

Из графиков видно, , , ɛ зависит от частоты, зависимость диэлектрической компоненты от частоты носит резонансный характер, то есть при каких-то частотах диэлектрическая проницаемость принимает положительные значения, а при каких-то частотах принимает отрицательные значения.

Рассмотрим композитную среду, которая содержит включения сферической формы из полупроводника матрицы в виде стекла. Диэлектрическая проницаемость композитной среды рассчитывается по формуле эта Максвелла-Гарнета[3].

(6)

где f-относительный объем занимаемый наночастицами,

,

-частота излучения

Целью моей работы было рассчитать эффективную диэлектрическую проницаемость композитной среды. В данной работе рассчитана эффективная диэлектрическая проницаемость, когда волна проходит в одном направлении.

f=0.4

f=0.6

f=0.8

Рис.7 Расчет действительной части эффективной диэлектрической проницаемости композитной среды

f=0.4

f=0.6

f=0.8

Рис.8 Расчет мнимой эффективной диэлектрической проницаемости композитной среды

Можно сделать вывод, что результаты расчета эффективной диэлектрической проницаемости композитной среды, которая содержит включения сферической формы, из частиц полупроводника носит резонансный характер, то есть при резонансной частоте положение, которое зависит от плазменной и циклотронной частоты. Если частота меньше резонансной частоты у нас диэлектрическая проницаемость положительна. При частотах больше этой резонансной частоты диэлектрическая проницаемость отрицательная. И можно заметить, там где наблюдается резонанс на этой частоте мнимая часть диэлектрическая проницаемость эффективная резко возрастает. Это говорит о том, что резко возрастают потери. И при изменении концентрации включении эта кривая соответствует фактору заполнения f=0.4(40%) f=0.6(60%) f=0.8(80%) у нас меняется положение этого резонанса

Таким образом, меняя концентрацию включения, в виде полупроводника, можем изменить положение резонансной частоты, на которой наблюдается резонанс диэлектрической проницаемости композитной среды.

И результаты расчета могут быть использованы для конструирования различных устройств фотоники. Например, фильтров параметрами, которых можно управлять, меняя включения в виде полупроводника.

Литература

Даровских И. А., Бобрышев А. Н., Лахно А. В. Кластерная структура в дисперсно-наполненных композитах // Молодой ученый. — 2015. — №7. — С. 115-117.

Кузьмин Д.А., Бычков И.В.,Шавров В.Г. Шавров//Управление поглощением электромагнитных волн многослойной структурой графен-магнитный полупроводник

L. L. Foldy, “The multiple scattering of waves. I. General theory of isotropic scattering by randomly distributed scatterers,” Phys. Rev. 67, 107 (1945)

Код для цитирования: Скопировать