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».ВведениеОптические и электрические свойства металловНаличие свободных электронов определяет основные свойства металлов Связь поверхностной плотности заряда с напряженностью электрического поляПлазменная частота – важнейшая характеристика оптических свойств металла Время затухания и скорость релаксации Переменный электрический ток в металлахСвязь между законами электромагнетизма в интегральной и дифференциальной формах Макроскопическое описание реакции среды на электрическое полеУравнения для свободных полей в средеРасчет диэлектрической проницаемости Друде-металлаПроникновение оптических полей в металлВещественная и мнимая части диэлектрической проницаемости металлов Волновое уравнение. Дисперсионное уравнениеПолное внутреннее отражениеСкалярный потенциал. Вычисление напряженности поля точечного заряда через потенциалЭлектрический диполь. Потенциал диполя. Диполь-дипольное взаимодействиеЗаряд 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 диэлектрикаПоверхностный плазмон. Частота поверхностного плазмона в модели Друде-ЛоренцаДиэлектрический шар в однородном электрическом поле Локализованный плазмонСферическая полость в диэлектрической среде Плазмонные наночастицыПроводящий эллипсоид в однородном внешнем поле. Геометрический факторДиэлектрический эллипсоид в однородном внешнем поле. Наведенный дипольный момент и поле внутри эллипсоидаЧастоты плазмонных резонансов в эллипсоидальных частицах с диэлектрической проницаемостью Друде-Лоренца. Предельные случаиСобственные колебания плазмонного типа в системе из двух частицРасщепление плазмонного резонанса сферической частицы в присутствии второй частицыРаспределение заряда в колебаниях пары частиц Проявления и применения плазмонных резонансовПропускание, оптическая плотность и экстинкцияИндикатриса рассеяния (фазовая функция)Сечение рассеяния и поглощения. Сечение экстинкцииАмплитуда рассеяния. Оптическая теоремаСечение поглощения для эллипсоидальной частицы с диэлектрической проницаемостью Друде-Лоренца Отсутствие отраженной волны при падении света на границу раздела двух сред под углом БрюстераПоверхностный плазмон на плоской поверхности металлаВозбуждение поверхностных плазмонов. Конфигурации Отто и КречманаПолучение и фотоиндуцированная модификация плазмонных наноструктурЩелочные металлы Благородные металлыДополнительные причины уширения плазмонных резонансовИзмерение ширин плазмонных резонансов, скрытых неоднородным уширениемПроводимость гранулированных металлических пленокФотопроводимость гранулированных металлических пленокСписок литературы