بخشی از مقاله
چکیده
در تابش نور بر نانوذرات فلزي، برهمکنش هاي رزونانسی با چگالی میدان الکتریکی در نزدیکی سطح که از آن ها با نام هاي پلاسمون هاي سطحی یاد می شود، نقش مهمی بازي می کنند. با توجه به خواص پلاسمونی ساختارهاي ترکیبی نانوذرات گرافین و نقره، این ساختارها این توانایی را دارند که نور را در سطوح خود به عنوان پلاریتون هاي پلاسمونی انتقال دهند. در این مقاله با شبیه سازي دو بعدي دو ساختار نقره و هسته پوسته نقره-گرافین به تاثیر این پوشش بر روي جذب، ضریب خاموشی و میدان الکتریکی نقره پرداختیم و متوجه تاثیر تغییر ابعاد نانوساختار در بهبود جذب و سایر خواص نوري شدیم.
مقدمه
در میان نانوذرات، نانوذرات فلزي به علت ویژگیهاي خاص نوري، الکتریکی، مغناطیسی، دارویی و کاتالیستی از اهمیت ویژه اي برخوردارند .[1] مهمترین ویژگی نانوذرات فلزي ویژگیهاي نوري آنها است که در اندازه توده اي آنها دیده نمی شود.
نانوذرات فلزي به طور مشخص نور با بسامد هاي مختلف را، بسته به اندازه، شکل و جنسشان، جذب و پراکنده می کنند. پلاسمونهاي سطحی در ذرات کوچک فلزي تهییج میشوند، اما در سطح صاف فلز امکان تهییج پلاسمونهاي سطحی به صورت مستقیم وجود ندارند .
هنگامی که یک پرتو نوري بر نانوذرات فلزي بتابد، میدان نوسانی موج فرودي موجب نوسان الکترونهاي رسانش فلز به صورت دسته جمعی می شود. این نوسانهاي دسته جمعی الکترونهاي رسانش، پلاسمونهاي سطحی نامیده می شوند. پلاسمونهاي سطحی نانوذرات یکنواخت یک بسامد تشدید دارند که در آن بسامد بیشترین جذب و پراکندگی را از خود نشان میدهند. محل بسامد تشدید در طیف الکترومغناطیسی وابسته به شکل، اندازه و تابع ديالکتریک نانوذره فلزي است
در حالت کلی هنگامی که تابش الکترومغناطیسی با ذرهاي کوچک به قطر a برهمکنش میکند همه قسمتهاي ذره لزوما میدان مشابهی را تجربه نمی کنند. اگر قطر ذره مساوي یا بزرگتر از طول موج تابش الکترومغناطیسی باشد آثار تاخیري و تهییج تشدید هاي چند قطبی را باید در نظر گرفت. این پدیدهها به طور قابل توجهی پاسخ نوري را پیچیده می کنند و براي محاسبه سطح مقطع جذب و پراکندگی لازم می باشند.
روش انجام شبیه سازي
در این مقاله تاثیر استفاده از پارامترهاي متفاوت مانند قطر و ضخامت نانو ساختار ترکیبی نقره-گرافین بر روي مشخصه هاي نوري و میدان ها را بررسی می کنیم. ساختار طراحی شده با استفاده از روش FDTD محاسبه می شود. در این روش از ساختار برداري 3 بعدي جهت حل معادلات ماکسول استفاده می شود که در نهایت به محاسبه و رسم نمودارهاي ضریب خاموشی و جذب می انجامد. حل عددي انجام شده با استفاده از ماژول FDTD نرم افزار لومریکال صورت گرفته است. منبع نوري ما به صورت موج تخت است و مانیتورهاي عبور و بازتاب در بخش هاي مرزي قرار گرفته اند. ساختار را به صورت 2 بعدي در راستاي XY قرار میدهیم. دقت مش بندي را در راستاي XY برابر یک نانومتر قرار میدهیم تا دقت محاسبات بالا برود. طول موج منبع نوري هم از 300 تا 1500 نانومتر است و مانیتورها و ساختار کلی در شکل "یک" آمده است.
نمودار طیف خاموشی نانوساختار ترکیبی نقره- گرافین و نقره به تنهایی در شکل "دو" نشان داده شده است. قطر نانوذره نقره وقتیکه به تنهایی درنظر گرفته شده برابر 12 نانومتر است، درحالیکه در ساختار دوم قطر گرافین را برابر 14 نانومتر و قطر نانوذره نقره را 12 نانومتر در نظر گرفتیم. مرتبه مش بندي را براي گرافین 2 و براي نقره 1 در نظر می گیریم تا هنگام شبیه سازي تنها به محاسبه 2 نانومتر پوشش گرافین به همراه 12 نانومتر نقره بپردازد. با مقایسه شکل هاي 2 و 3 مشاهده می شود که با اضافه کردن پوسته گرافین به ضخامت 2 نانومتر به روي نانوذره نقره، مود رزونانسی ما در "محدوده طیف مرئی" در طول موج حدودي 535 و 625 نانومتر به سمت 1035 و 1075 انتقال پیدا می کند.
علاوه بر این یک تشدید ترکیبی داراي جهش زیاد در طول موج 1051 نانومتر بدست آمده است. حضور این قله هاي رزونانسی می تواند نشان دهنده تحریک پلاسمون هاي سطحی گرافین در نانوساختار به عنوان یک نتیجه از تزویج بین نور تابشی و مود مش بندي شده در ساختار ترکیبی نقره-گرافین باشد.
شکل : 2 نمودار طیف خاموشی نقره
همچنین پوشش گرافین باعث شد قله تشدید نقره در"کل بازه" طول موجی ما از 0/37 به 0/42 افزایش پیدا کند.
شکل : 1 ساختار کلی نانوترکیب شبیه سازي شده پروفایل میدان الکتریکی در قله تشدید براي نقره و نقره-گرافین در مدت زمان شبیه سازي را 3000 فمتوثانیه در نظر گرفتیم. طیف شکل "سه" نشان داده شده است.
خاموشی را با استفاده از یک مانیتور که در 60 نانومتري ساختار قرار دارد، بدست می آوریم.
شکل : 3 نمودار طیف خاموشی نقره-گرافین
همانطور که در شکل -3الف و ب مشاهده می شود دامنه میدان الکتریکی با کپسول گذاري نانوذره نقره با 2 نانومتر از گرافین از حدود 4/5 به 45 ولت بر متر افزایش پیدا کرده است. این در حالی است که در بیشینه قله تشدید در نانوترکیب نقره-گرافین ما شاهد افزایش دامنه میدان الکتریکی تا حدود 130 ولت بر متر مربع هستیم.
شکل -3ج: پروفایل بیشینه میدان الکتریکی نقره-گرافین درطول موج تشدید 1051 نانومتر
شکل -3الف : پروفایل میدان الکتریکی نقره در طول موج رزونانس 535 نانومتر
شکل -3ب : پروفایل میدان الکتریکی نقره-گرافین درطول موج تشدید 1035 نانومتر
همچنین بیشنه میدان الکتریکی را در شکل -3ج ملاحظه می کنیم.
- تاثیرتغییراندازه نانوذره نقره و ضخامت پوسته گرافین :
یک مجموعه از نانوساختارهاي هیبریدي مختلف نقره-گرافین با ضخامت هاي مختلف براي گرافین در اندازه هاي 2 و 3 نانومتر و قطرهاي 12 و 22 براي نانوذره نقره را مورد مطالعه قرار دادیم و نتایج را در جدول شماره "یک" قرار دادیم.
