vestifmИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-математических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physics and Mathematics Series1561-24302524-2415The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-2430-2019-55-2-232-241vestifm-391Research ArticleФИЗИКАPHYSICSКонцентрационная зависимость полосы плазмонного поверхностного резонанса поглощения наноструктур золота в углеродсодержащих матрицахDependence of a surface plasmon resonance absorption band on the concentration of gold nanoparticles in carbon-bearing matrixesДыничР. А.DynichR. A.

Дынич Роман Анатольевич – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Центра фотоники атомных и молекулярных структур

пр. Независимости, 68-2, 220072, г. Минск, Республика Беларусь

Roman A. Dynich – Ph. D. (Physics and Mathematics), Senior Researcher of the Center of Photonics of Atoms and Molecules Structures

68-2, Nezavisimosti Ave., 220072, Minsk, Republic of Belarus

rdn@ifanbel.bas-net.byЗамковецА. Д.ZamkovetsA. D.

Замковец Анатолий Дмитриевич – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Центра фотоники атомных и молекулярных структур

пр. Независимости, 68-2, 220072, г. Минск, Республика Беларусь

Anatoly D. Zamkovets – Ph. D. (Physics and Mathematics), Senior Researcher of the Center of Photonics of Atoms and Molecules Structures

68-2, Nezavisimosti Ave., 220072, Minsk, Republic of Belarus

a.zamkovets@dragon.bas-net.byПонявинаА. Н.PonyavinaA. N.

Понявина Алина Николаевна – доктор физико-математических наук, доцент, главный научный сотрудник Центра фотоники атомных и молекулярных структур

пр. Независимости, 68-2, 220072, г. Минск, Республика Беларусь

Alina N. Ponyavina – Dr. Sc. (Physics and Mathematics), Associate Professor, Chief Researcher of the Center of Photonics of Atoms and Molecules Structures

68-2, Nezavisimosti Ave., 220072, Minsk, Republic of Belarus

a.ponyavina@ifanbel.bas-net.byШпилевскийЭ. М.ShpilevskyE. М.

Шпилевский Эдуард Михайлович – кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории синтеза и анализа микро- и наноразмерных материалов

ул. П. Бровки, 15, 220072, г. Минск, Республика Беларусь

Eduard M. Shpilevsky – Ph. D. (Physics and Mathematics), Leading Researcher at the Laboratory of Synthesis and Analysis of Micro- and Nanoscale Materials

15, P. Brovka Str., 220072, Minsk, Republic of Belarus

eshpilevsky@rambler.ruИнститут физики им. Б. И. Степанова Национальной академии наук БеларусиB. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Sciences of BelarusИнститут тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова Национальной академии наук БеларусиA. V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute of the National Academy of Sciences of Belarus201928062019552232241Copyright © Дынич Р.А., Замковец А.Д., Понявина А.Н., Шпилевский Э.М., 20192019Дынич Р.А., Замковец А.Д., Понявина А.Н., Шпилевский Э.М.Dynich R.A., Zamkovets A.D., Ponyavina A.N., Shpilevsky E.М.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestifm.belnauka.by/jour/article/view/391

Экспериментально установлено, что для наноструктур Au–С60 наблюдается подавление длинноволнового концентрационного сдвига максимума полосы плазмонного поверхностного резонанса поглощения. Проведено теоретическое моделирование спектральных характеристик углеродсодержащих наноструктур. Расчеты экстинкции для одной металлической наночастицы проводились с использованием теории Ми для поглощающих матриц. Коэффициент когерентного пропускания плотноупакованного монослоя плазмонных наночастиц вычислялся с использованием модифицированного для поглощающих матриц приближения однократного когерентного рассеяния. Тонкопленочные наноструктуры Au и Au–C60 на подложках из стекла и кварца получали методом термического испарения и конденсации в вакууме при остаточном давлении воздуха 2·10–3 Па. Поверхностная плотность Au в наноструктурах Au–C60 изменялась в пределах (3,86–7,98)·10–6 г·см–2 . На основе сравнения теоретических и экспериментальных результатов сделан вывод об ослаблении коллективных латеральных электродинамических взаимодействий между наночастицами золота в фуллереновой матрице С60, характеризующейся наличием поглощения.

For fullerene matrixes doped by gold nanoparticles we have established experimentally a miss of a red concentration-induced shift of surface plasmon resonance absorption band maximum. Theoretical modeling has been made for spectral characteristics of carbon–bearing nanostructures. Numerical calculations of extinction factors for a spherical metallic particle in an absorbing surrounding medium were based on the Mie theory. Transmission spectra coefficients of densely packed plasmonic nanoparticles monolayers were calculated with the use of the single coherent scattering approximation modified for absorbing matrices. Thin-film Au-air and Au–C60 nanostructures have been fabricated on glass and quartz substrates by thermal evaporation and condensation in vacuum at an air pressure of 2 · 10–3 Pа. The surface mass density of Au into Au–C60 nanostructures was varied in the range (3.86–7.98) · 10–6 g/cm2. The comparison of theoretical and experimental data allowed making a conclusion that the absorbency in carbon-bearing matrix leads to the attenuation of lateral electrodynamics coupling and blocks collective plasmon resonance in densely packed gold nanostructures.

плотноупакованные наноструктурыповерхностный плазмонный резонансуглеродсодержащие матрицыэлектродинамические взаимодействияdensely packed nanostructuressurface plasmon resonancecarbon–bearing matrixeselectrodynamic interactionsReferencesЗолотые наноструктуры с плазмонным резонансом для биомедицинских исследований/ Н. Г. Хлебцов [и др.] // Рос. нанотехнологии. – 2007. – т. 2, № 3/4. – С. 69–86.Khlebtsov N. G., Bogatyrev V. A., Dykman L. A., Khlebtsov B. N. Gold plasmon resonant nanostructures for biomedical researches. Rossiiskie nanotekhnologii = Russian Nanotechnology, 2007, vol. 2, no. 3–4, pp. 69–86 (in Russian).Климов, В. В. Наноплазмоника / В. В. Климов. – М.: Физматлит, 2009. – 480 с.Klimov V. V. Nanoplasmonics. Мoscow, Fizmatlit Publ., 2009. 480 p. (in Russian).Kreibig, U. Optical Properties of Metal Clusters / U. Kreibig, M. Volmer. – Berlin: Springer-Verlag, 1995 – 532 р. https://doi.org/10.1007/978-3-662-09109-8Kreibig U, Volmer M. Optical Properties of Metal Clusters. Berlin: Springer-Verlag, 1995. 532 р. https://doi.org/10.1007/978-3-662-09109-8Ponyavina, A. Plasmonic spectroscopy of densely packed and layered metallic nanostructures / A. Ponyavina, S. Kachan // Polarimetric Detection, Characterization, and Remote Sensing / eds.: M. Mishchenko, Ya. Yatskiv, V. Rozenbush, G. Videen. – Springer, 2011. – P. 383–408. https://doi.org/10.1007/978-94-007-1636-0_15Ponyavina A., Kachan S. Plasmonic spectroscopy of densely packed and layered metallic nanostructures. Polarimetric Detection, Characterization, and Remote Sensing. Springer, 2011, pp. 383–408. https://doi.org/10.1007/978-94-007-1636-0_15Zamkovets, A. D. Concentration-related enhancement of the sensitivity of surface plasmon resonance of metallic nanoparticles to the characteristics of a dielectric environment / A. D. Zamkovets, S. M. Kachan, A. N. Ponyavina // J. Appl. Spectrosc. – 2008. – Vol. 75, № 4. – P. 588–592. https://doi.org/10.1007/s10812-008-9072-zZamkovets, A. D., Kachan S. M., Ponyavina A. N. Concentration-related enhancement of the sensitivity of surface plasmon resonance of metallic nanoparticles to the characteristics of a dielectric environment. Journal of Applied Spectroscopy, 2008, vol. 75, no. 4, pp. 588–592. https://doi.org/10.1007/s10812-008-9072-zKhlebtsov, B. N. Collective Plasmon Resonances in Monolayers of Metal Nanoparticles and Nanoshells / B. N. Khlebtsov, V. A. Khanadeyev, N. G. Khlebtsov // Opt. Spectrosc. – 2008. – Vol. 104, №. 2. – P. 282–294. https://doi.org/10.1134/s0030400x08020239Khlebtsov B. N., Khanadeyev V. A., and Khlebtsov N. G. Collective Plasmon Resonances in Monolayers of Metal Nanoparticles and Nanoshells. Optics and Spectroscopy, 2008, vol. 104, no. 2, pp. 282–294. https://doi.org/10.1134/s0030400x08020239Kachan, S. M. Spectral properties of close-packed monolayers consisted of metal nanospheres / S. M. Kachan, A. N. Ponyavina // J. Phys. Condens. Matter. – 2002. – Vol. 14, №. 1. – P. 103–111. https://doi.org/10.1088/0953-8984/14/1/309Kachan S. M., Ponyavina A. N. Spectral properties of close-packed monolayers consisted of metal nanospheres. Journal of Physics: Condensed Matter, 2002, vol. 14, no. 1, pp. 103–111. https://doi.org/10.1088/0953-8984/14/1/309Lebedev, A. N. Optical extinction of an assembly of spherical particles in an absorbing medium: Application to silver clusters in absorbing organic materials / A. N. Lebedev, O. Stenzel // Eur. Phys. J. D. – 1999. – Vol. 7. – P. 83–88. https://doi.org/10.1007/s100530050351Lebedev A. N., Stenzel O. Optical extinction of an assembly of spherical particles in an absorbing medium: Application to silver clusters in absorbing organic materials. The European Physical Journal D – Atomic, Molecular and Optical Physics, 1999, vol. 7, no. 1, pp. 83–88. https://doi.org/10.1007/s100530050351Dynich, R. A. Local field enhancement around spherical nanoparticles in the absorbing medium / R. A. Dynich, A. N. Ponyavina, V. V. Filippov // J. Appl. Spectr. – 2009. – Vol. 76, №. 5. – P. 705–710. https://doi.org/10.1007/s10812-009-9248-1Dynich R. A., Ponyavina A. N., and Filippov V. V. Local field enhancement around spherical nanoparticles in the absorbing medium. Journal of Applied Spectroscopy,2009, vol. 76, no. 5, pp. 705–710. https://doi.org/10.1007/s10812-009-9248-1Исимару, А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах: в 2 т. / А. Исимару. – М.: Мир, 1981. – т. 2.Ishimaru A. Wave Propagation and Scattering in Random Media. New York, Academic Press, 1978. https://doi.org/10.1016/C2013-0-10906-3Hong, K. M. Multiple scattering of electromagnetic waves by a crowded monolayer of spheres: application to migration imaging films / K. M. Hong // J. Opt. Soc. Am. – 1980. – Vol. 70, № 7. – P. 821–826. https://doi.org/10.1364/josa.70.000821Hong K. M. Multiple scattering of electromagnetic waves by a crowded monolayer of spheres: application to migration imaging films. Journal of the Optical Society of America, 1980, vol. 70, no. 7, pp. 821–826. https://doi.org/10.1364/josa.70.000821Понявина, А. Н. Когерентное отражение и пропускание плотноупакованных монослоев рассеивателей / А. Н. Понявина, Н. И. Сильванович // Журн. приклад. спектроскопии. – 1990. – т. 53, № 2. – С. 299–305.Ponyavina A. N., Silvanovich N. I. Coherent reflection and transmission of close-packed scattering monolayers. Journal of Applied Spectroscopy, 1990, vol. 53, no. 2, pp. 884–889. https://doi.org/10.1007/bf00659406Comparison of optical scattering experiments and the quasi-crystalline approximation for dense media / R. West [et al.] // J. Opt. Soc. Am. A. – 1994. – Vol. 11, № 6. – P. 1854–1858. https://doi.org/10.1364/josaa.11.001854West R., Gibbs D., Tsang L., and Fung A. K. Comparison of optical scattering experiments and the quasi-crystalline approximation for dense media. Journal of the Optical Society of America A, 1994, vol. 11, no. 6, pp. 1854–1858. https://doi.org/10.1364/josaa.11.001854Loiko, V. A. Monolayers of discrete scatteres: comparison of the single scattering and quasi-crystalline approximation / V. A. Loiko, V. P. Dick, V. I. Molochko // J. Opt. Soc. Am. A. – 1998. – Vol. 15, № 9. – P. 2351–2354. https://doi.org/10.1364/josaa.15.002351Loiko V. A., Dick V. P., Molochko V. I. Monolayers of discrete scatteres: comparison of the single scattering and quasi-crystalline approximation.Journal of the Optical Society of America A, 1998, vol. 15, no. 9, pp. 2351–2354. https://doi.org/10.1364/josaa.15.002351Miskevich, A. A. Two-dimensional planar photonic crystals: Calculation of coherent transmittance and reflectance at normal illumination under the quasicrystalline approximation / A. A. Miskevich, V. A. Loiko // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. – 2011. – Vol. 112, № 6. – P. 1082–1089. ttps://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2010.11.019Miskevich A. A., Loiko V. A. Two-dimensional planar photonic crystals: Calculation of coherent transmittance and reflectance at normal illumination under the quasicrystalline approximation. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2011, vol. 112, no. 6, pp. 1082–1089. ttps://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2010.11.019Иванов, А. П. Распространение света в плотноупакованных дисперсных средах / А. П. Иванов, В. А. Лойко, В. П. Дик. – Минск: Наука и техника, 1988. – 191 с.Ivanov A. P., Loiko V. A., and Dik V. P. Light Propagation in Close-Packed Disperse Media. Minsk, Nauka i tekhnika Publ., 1988. 191 p. (in Russian).Dynich, R. A. Extraordinary transmission of thin metal films doped with densely-packed dielectric nanospheres / R. A. Dynich, A. N. Ponyavina // Physics, Chemistry and Applications of Nanostructures. – 2013. – P. 102–104. https://doi.org/10.1142/9789814460187_0024Dynich R. A., Ponyavina A. N. Extraordinary transmission of thin metal films doped with densely-packed dielectric nanospheres. Physics, Chemistry and Applications of Nanostructures, 2013, pp. 102–104. https://doi.org/10.1142/9789814460187_0024Sudiarta, I. W. Mie-scattering formalism for spherical particles embedded in an absorbing medium / I. W. Sudiarta, P. Chylek // J. Opt. Soc. Am. A. – 2001. – Vol. 18, № 6. – P. 1275. https://doi.org/10.1364/josaa.18.001275Sudiarta I. W., Chylek P. Mie-scattering formalism for spherical particles embedded in an absorbing medium. Journal of the Optical Society of America A, 2001, vol. 18, no. 6, pp. 1275. https://doi.org/10.1364/josaa.18.001275Johnson, P. Optical constants of the noble metals / P. Johnson, R. Christy // Phys. Rev. B. – 1972. – Vol. 6, № 12. – P. 4370–4379. https://doi.org/10.1103/physrevb.6.4370Johnson P., Christy R. Optical constants of the noble metals. Physical Review B, 1972, vol. 6, no. 12, pp. 4370–4379. https://doi.org/10.1103/physrevb.6.4370Width of cluster plasmon resonances: Bulk dielectric functions and chemical interface damping / H. Hövel [et al.] // Phys. Rev. B. – 1993. – Vol. 48, № 24. – P. 18148–18154. https://doi.org/10.1103/physrevb.48.18178Hövel H., Fritz S., Hilger A., Kreibig U., Vollmer M. Width of cluster plasmon resonances: Bulk dielectric functions and chemical interface damping. Physical Review B, 1993, vol. 48, no. 24, pp. 18148–18154. https://doi.org/10.1103/physrevb.48.18178Розенберг, Г. В. Оптика тонкослойных покрытий / Г. В. Розенберг. – М.: Физматгиз, 1958. – 570 с.Rozenberg G. V. Optics of Thinlayers Coatings. Мoscow, Fizmatgiz Publ., 1958. 570 p. (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.