В ЮФУ создали материал будущего, который изменит оптику и энергетику

Материал с очень широкой полосой поверхностного плазмонного резонанса, который может стать важным шагом в развитии фотоники, разработали и изучили ученые Южного федерального университета (ЮФУ) вместе с исследователями Российского химико-технологического университета (РХТУ), 9 сентября сообщает пресс-служба вуза.

Свойства нового материала открывают широкие перспективы для создания на его основе высокоэффективных устройств, в том числе солнечных батарей.

Основой для этого материала стали наночастицы золота, сформированные внутри стекла. Профессор кафедры теоретической и вычислительной физики ЮФУ, доктор физико-математических наук Леон Авакян пояснил: «В нашем материале в прозрачной матрице стекла присутствуют наночастицы золота, причем эти наночастицы спонтанно формируют группы, и это приводит к появлению необычных свойств — очень широкого диапазона поглощения».

Российские исследователи из ЮФУ и РХТУ сделали важный шаг в развитии фотоники, создав и изучив свойства уникального материала с аномально широкой полосой локализованного поверхностного плазмонного резонанса. Результаты исследования нового уникального материала разработчики представили в статье «Сверхширокополосный плазмонный резонанс в наночастицах золота, осажденных в стекле ZnO-Al₂O₃-SiO₂», опубликованной в журнале Ceramics.

Свет, который представляет собой электромагнитные волны, воздействуя на наночастицу металла, вызывает колебания электронной плотности внутри вещества. Под воздействием поля свободные электроны в металле смещаются в его сторону и при этом притягивают обратно положительно заряженные частицы, вызывая колебания. Квазичастицу такого колебания и называют плазмоном.

Плазмонный резонанс наступает, когда поверхностный плазмон возбуждается внешней электромагнитной волной. При определенной частоте волны возникает резонанс, который выражается в резком усилении поглощения металлом света определенной частоты.

Это явление используется в фотонных приборах, которые приходят на смену традиционной электронике, основанной на движении электронов в полупроводниковых материалах. Управление фотонами вместо управления электронами сложнее, но скорость работы фотонного устройства и его энергоэффективность во много раз выше.

Частоту, на которой возникает плазмонный резонанс и его характер можно изменять, меняя форму и размеры наночастиц, а также, если «окружить» их диэлектриком, например, стеклом. Исследователи выбрали в качестве металла наночастицы золота, а диэлектриком, на который эти частицы осаждались, — особо чистое стекло на основе оксидов цинка, алюминия и кремния.

Ширина полосы поверхностного плазмонного резонанса такого материала составляет более 1000 нанометров. Это означает, что материал способен поглощать волны в очень широком спектре частот. Ученые предполагают, что аномально широкая полоса плазмонного резонанса создается за счет связи между частицами, возникающей при разделении фаз термически обработанного стекла.

Исследователи установили, что эту полосу можно очень точно изменять по ширине и «сдвигать» в разные стороны спектра, меняя температуру при синтезе материала.

Созданный учеными ЮФУ и РХТУ материал может быть востребован фотоникой, биомедициной, а также в солнечной энергетике, так как сможет собирать солнечную энергию в широком интервале длин волн, чему будет способствовать его прозрачность.