Search academic texts

Registration Number

0824U000192, PhD dissertation

Title

Peculiarities of absorption of electromagnetic radiation by nanoparticles of metals under conditions of plasmon resonance

Author

Anatoliy Bilyuk,

popup.head Oleksandr Y. Semchuk
popup.opponent Dmytro I. Popovych
popup.opponent Anatolii Yevtukh
popup.review Viktor Lobanov
popup.review Sergiy Pokutnii

Status

Доктор філософії, 105, Прикладна фізика та наноматеріали

Date

20-02-2024

Description

Метою роботи є дослідження взаємодії металевих наночастинок з електромагнітним випромінюванням в умовах плазмонного резонансу з можливістю їх подальшого використання в пристроях органічної електроніки, зокрема в сонячних елементах. Актуальність роботи обумовлена тим, що в останні роки шукається спосіб отримання дешевої та доступної електроенергії. Основним аспектом якої також є екологічність елементів з якої вона добувається. Перспективним напрямком для досліджень та отримання такої енергії є сонячні елементи з органічними напівпровідниками. Адже такі сонячні елементи можуть бути, ефективними в перетворюванні енергії, гнучкими, екологічними, та доступними. Головним напрямком таких досліджень є сонячні елементи на онові органічних напівпровідників з інкорпорованими частинками металу, а також процеси що відбуваються в середовищі напівпровідника та на поверхні частинок. У роботі використовуються: математичний апарат та методи класичної електродинаміки в електростатичному наближенні, метод кінетичного рівняння Больцмана в наближенні часу релаксації, метод скінченних різниць в часовій області. В дисертаційній роботі, під час проведення досліджень, було отримано низку нових та важливих теоретичних результатів: 1. Спираючись на метод кінетичного рівняння, розраховано оптичну провідність металевих наночастинок сфероїдальної форми та залежність ширини лінії локалізованого плазмонного резонансу (ЛППР), від діелектричної провідності оточуючого середовищя для сферичних наночатинок Ag. Показано, що із зростанням радіусу сферичної наночастинки ширина лінії ЛППР суттєво зменшується і осцилює навколо певного розміру частинок. 2. Проведене, методом скінченної різниці в часовій області (FDTD), чисельне моделювання оптичних характеристик органічних сонячних елементів (ОСЕ) на основі полі-3,4-етилендиоксітіофен:полістерол сульфонат з інкорпорованими наночастинками металів показало, що їх додавання в фоточутливий шар значно збільшує коефіцієнт поглинання світла коміркою при більших довжинах хвиль (від 600 нм). Наявність піків поглинання для Cu близько 829 нм, Au близько 625 нм, та Ag близько 726 нм вказує на наявність локалізованого повеневого плазмонного резонансу. 3. Показано, що додавання металевих наночастинок (МНЧ) до світлочутливого шару органічного сонячного елементу (ОСЕ) посилює поглинання ними світла, і це залежить від форми та матеріалу МНЧ. 4. Показано, що в металевих наночастинках, розміри яких менші за довжину вільного пробігу електрона в металевій наночастинці, оптична провідність і, відповідно, коефіцієнт поглинання світла стають тензорними величинами. Окрім того коефіцієнт поглинання світла (лазерного випромінювання) металевими наночастинками в умовах плазмонного резонансу, залежить від їх форми (через геометричні фактори), діелектричної проникності оточуючого середовища та тензора оптичної провідності металевої наночастинки. 5. Розрахунки методом FDTD показують що, ЛППР, індукований наночастинками, не тільки підвищує ступінь поглинання світла, але й збільшує ступінь дисоціації екситонів, що виникають в фоточутливому шарі органічних напівпровідників під дією електромагнітного випромінювання. Продемонстровано, що при витягнутій формі частинок (міді, срібла, золота), коефіцієнт поглинання зменшується, в той час як, при дослідження круглих частинок або сплюснутих збільшується, притому можна розглядати приплюснуті частинки як кластери скупчень частинок. Одержані в роботі результати можуть бути використані при створенні нових функціональних матеріалів з наперед заданими властивостями для твердотільної мікроелектроніки, технології напівпровідникового виробництва, конструювання органічних сонячних елементів. Зокрема, інкорпорування металевих наночастинок в фоточутливий шар на основі полімеру ПЕДОТ:ПСС дозволить помітно збільшити коефіцієнт корисної дії таких органічних сонячних елементів. Ключові слова: металеві наночастинки, поглинання, електромагнітне випромінювання, локалізований поверхневий плазмонний резонанс, електрони, плазмони, кінетичне рівняння, випромінювання