Ebook: Основы физики металлических наноструктур

Учебное пособие – СПб: НИУ ИТМО, 2013. – 133 с.Курс лекций является учебно-методическим пособием по физике металлических нанострукур. Основное внимание в курсе уделено оптическим и электрическим свойствам металлов и их изменению при переходе от объемных к наноструктурированным образцам. Особенностью курса является то, что его могут освоить студенты, у которых не было углубленного курса электродинамики сплошных сред. Необходимые понятия вводятся непосредственно по ходу изложения материала. Исходя из элементарных представлений о проводимости на постоянном и переменном токе, выводится диэлектрическая проницаемость в модели Друде-Лоренца. Даются необходимые сведения об уравнениях Максвелла и их решениях, отвечающих распространению электромагнитных волн в среде. Представления о коллективных электронных возбуждениях формируются на основе наглядных моделей объемных, поверхностных и локализованных в наночастицах плазмонов. Подробно рассмотрена зависимость оптических свойств металлических наночастиц от их формы. Вводятся основные понятия теории рассеяния и на их основе рассматриваются проявления плазмонных резонансов в оптических явлениях. Даются примеры оптических свойств реальных металлов. Описаны основные механизмы уширения плазмонных резонансов.
Рекомендовано в качестве учебного пособия для студентов и магистров высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 200700 – «Фотоника и оптоинформатика».Введение
Оптические и электрические свойства металлов
Наличие свободных электронов определяет основные свойства металлов
Связь поверхностной плотности заряда с напряженностью электрического поля
Плазменная частота – важнейшая характеристика оптических свойств металла
Время затухания и скорость релаксации
Переменный электрический ток в металлах
Связь между законами электромагнетизма в интегральной и дифференциальной формах
Макроскопическое описание реакции среды на электрическое поле
Уравнения для свободных полей в среде
Расчет диэлектрической проницаемости Друде-металла
Проникновение оптических полей в металл
Вещественная и мнимая части диэлектрической проницаемости металлов
Волновое уравнение. Дисперсионное уравнение
Полное внутреннее отражение
Скалярный потенциал. Вычисление напряженности поля точечного заряда через потенциал
Электрический диполь. Потенциал диполя. Диполь-дипольное взаимодействие
Заряд вблизи поверхности проводника. Метод зеркальных изображений. Сила притяжения заряда к поверхности незаряженного проводника
Взаимодействие диполя с поверхностью незаряженного проводника
Заряд вблизи поверхности диэлектрика. Поле зарядов, индуцированных на поверхности диэлектрика. Расчет потенциалов внутри и вне диэлектрика
Поверхностный плазмон. Частота поверхностного плазмона в модели Друде-Лоренца
Диэлектрический шар в однородном электрическом поле
Локализованный плазмон
Сферическая полость в диэлектрической среде
Плазмонные наночастицы
Проводящий эллипсоид в однородном внешнем поле. Геометрический фактор
Диэлектрический эллипсоид в однородном внешнем поле. Наведенный дипольный момент и поле внутри эллипсоида
Частоты плазмонных резонансов в эллипсоидальных частицах с диэлектрической проницаемостью Друде-Лоренца. Предельные случаи
Собственные колебания плазмонного типа в системе из двух частиц
Расщепление плазмонного резонанса сферической частицы в присутствии второй частицы
Распределение заряда в колебаниях пары частиц
Проявления и применения плазмонных резонансов
Пропускание, оптическая плотность и экстинкция
Индикатриса рассеяния (фазовая функция)
Сечение рассеяния и поглощения. Сечение экстинкции
Амплитуда рассеяния. Оптическая теорема
Сечение поглощения для эллипсоидальной частицы с диэлектрической проницаемостью Друде-Лоренца
Отсутствие отраженной волны при падении света на границу раздела двух сред под углом Брюстера
Поверхностный плазмон на плоской поверхности металла
Возбуждение поверхностных плазмонов. Конфигурации Отто и Кречмана
Получение и фотоиндуцированная модификация плазмонных наноструктур
Щелочные металлы
Благородные металлы
Дополнительные причины уширения плазмонных резонансов
Измерение ширин плазмонных резонансов, скрытых неоднородным уширением
Проводимость гранулированных металлических пленок
Фотопроводимость гранулированных металлических пленок
Список литературы