Поглощение неполяризованного света двумерным ансамблем сферических частиц серебра при наклонном освещении

Рассмотрена проблема поглощения неполяризованного (естественного) света двумерным ансамблем (монослоем) сферических частиц при наклонном освещении. Для ее решения использована статистическая теория многократного рассеяния волн. Записанные уравнения позволяют находить оптимальные условия поглощения направленного излучения для увеличения эффективности поглощения монослоев c периодическим и частично упорядоченным пространственным расположением частиц. Приведены результаты расчетов коэффициента поглощения поляризованного и естественного излучения ансамблями частиц серебра в непоглощающей среде. Размер частиц и фактор заполнения монослоя выбраны так, чтобы проиллюстрировать зависимость поглощения от угла падения в условиях проявления резонансных эффектов, обусловленных пространственной организацией частиц. Показано, что в области резонансного пика поглощения при освещении по нормали монослой с треугольной решеткой из частиц серебра может поглощать почти на порядок больше падающего излучения, чем частично упорядоченный слой. Коэффициент поглощения монослоя при направленном наклонном освещении может быть почти на порядок больше, чем при освещении по нормали. Результаты могут быть использованы для оптимизации конструкций оптоэлектронных устройств на основе монослоев частиц.

1. Vecchi, G. Surface modes in plasmonic crystals induced by diffractive coupling of nanoantennas / G. Vecchi, V. Giannini, J. G. Rivas // Phys. Rev. B. – 2009. – Vol. 80, № 20. – P. 201401-4. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.80.201401

2. Full Light Absorption in Single Arrays of Spherical Nanoparticles / Y. Radi [et al.] // ACS Photonics. – 2015. – Vol. 2, № 5. – P. 653–660. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.5b00073

3. Lasing from Finite Plasmonic Nanoparticle Lattices / D. Wang [et al.] // ACS Photonics. – 2020. – Vol. 7, № 3. – P. 630–636. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.0c00231

4. Improving the performance of light-emitting diodes via plasmonic-based strategies / X. Fan [et al.] // J. Appl. Phys. – 2020. – Vol. 127, № 4. – P. 040901. https://doi.org/10.1063/1.5129365

5. Enhanced Quality Factors of Surface Lattice Resonances in Plasmonic Arrays of Nanoparticles / Q. Le-Van [et al.] // Adv. Opt. Mater. – 2019. – Vol. 7, № 6. – P. 1801451-8. https://doi.org/10.1002/adom.201801451

6. Dynich, R. A. Local field enhancement around spherical nanoparticles in the absorbing medium / R. A. Dynich, A. N. Po nyavina, V. V. Filippov // J. Appl. Spectrosc. – 2009. – Vol. 76, № 5. – P. 705–710. https://doi.org/10.1007/s10812-0099248-1

7. Концентрационная зависимость полосы плазмонного поверхностного резонанса поглощения наноструктур золота в углеродсодержащих матрицах / Р. А. Дынич [и др.] // Вес. Нац. акад. навук Беларусі. Сер. фіз.-мат. навук. – 2019. – T. 55, № 2. – С. 232–241. https://doi.org/10.29235/1561-2430-2019-55-2-232-241

8. Kachan, S. M. Spectral properties of close-packed monolayers consisting of silver nanospheres / S. M. Kachan, А. N. Ponyavina // J. Phys. Condens. Matter. – 2002. – Vol. 14, № 1. – P. 103–111. https://doi.org/10.1088/0953-8984/14/1/309

9. Kachan, S. M. The spatial ordering effect on spectral properties of close-packed nanoparticle monolayers / S. M. Kachan, А. N. Ponyavina // Surf. Sci. – 2002. – Vol. 507–510. – P. 603–608. https://doi.org/10.1016/s0039-6028(02)01322-5

10. Kachan, S. High-absorbing gradient multilayer coatings with silver nanoparticles / S. Kachan, O. Stenzel, A. Ponyavina // App. Phys. B. – 2006. – Vol. 84, № 1–2. – P. 281–287. https://doi.org/10.1007/s00340-006-2252-8

11. Li, W. Metamaterial Perfect Absorber Based Hot Electron Photodetection / W. Li, J. Valentine // Nano Lett. – 2014. – Vol. 14, № 6. – P. 3510–3514. https://doi.org/10.1021/nl501090w

12. Loiko, N. A. Scattering and Absorption of Light by a Monolayer of Spherical Particles under Oblique Illumination / N. A. Loiko, A. A. Miskevich, V. A. Loiko // J. Exp. Theor. Phys. – 2020. – Vol. 131, № 2. – P. 227–243. https://doi.org/10.1134/s1063776120060060

13. Loiko, N. A. Polarization of light scattered by a two-dimensional array of dielectric spherical particles / N. A. Loiko, A. A. Miskevich, V. A. Loiko // J. Opt. Soc. Am. B. – 2021. – Vol. 38, № 9. – P. C22–C32. https://doi.org/10.1364/josab.424426

14. Loiko, N. A. Incoherent component of light scattered by a monolayer of spherical particles: analysis of angular distribution and absorption of light / N. A. Loiko, A. A. Miskevich, V. A. Loiko // J. Opt. Soc. Am. A. – 2018. – Vol. 35, № 1. – P. 108–118. https://doi.org/10.1364/josaa.35.000108

15. Loiko, N. A. Light scattering and absorption by two-dimensional arrays of nano- and micrometer monodisperse spherical silver particles / N. A. Loiko, A. A. Miskevich, V. A. Loiko // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. – 2021. – Vol. 266. – P. 107571 (20 pp.). https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2021.107571

16. Ziman, J. Models of Disorder / J. Ziman. – Cambridge University Press, 1979. – 525 p.

17. Percus, J. K. Analysis of Classical Statistical Mechanics by Means of Collective Coordinates / J. K. Percus, G. J. Yevick // Phys. Rev. – 1958. – Vol. 110, № 1. – P. 1–13. https://doi.org/10.1103/physrev.110.1

18. Miskevich, A. A. Coherent Transmission and Reflection of a Two-Dimensional Planar Photonic Crystal / A. A. Miskevich, V. A. Loiko // J. Exp. Theor. Phys. – 2011. – Vol. 113, № 1. – P. 1–13. https://doi.org/10.1134/s1063776111050153

19. Loiko, V. A. Multiple Scattering of Light in Ordered Particulate Media / V. A. Loiko, A. A. Miskevich // Springer Series in Light Scattering. – Springer, 2018. – P. 101–230. https://doi.org/10.1007/978-3-319-70796-9_2

20. Lax, M. Multiple Scattering of Waves. II. The Effective Field in Dense Systems / M. Lax // Phys. Rev. – 1952. – Vol. 85, № 4. – P. 621–629. https://doi.org/10.1103/physrev.85.621

21. Hong, 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.70.000821

22. Ishimaru, A. Wave Propagation and Scattering in Random Media / A. Ishimaru. – Wiley-IEEE Press, 1997. – 600 p. https://doi.org/10.1109/9780470547045

23. Handbook of Optical Constants of Solids: in 3 vol. / ed. E. D. Palik. – San Diego: Academic, 1985. – Vol. 1. – 804 p. https://doi.org/10.1016/C2009-0-20920-2