Взаимодействие света с металлическими наночастицами может обеспечить локализацию и усиление оптических полей на субволновых масштабах. Эти явления вызваны взаимодействием световой волны с собственными локализованными электронными возбуждениями внутри наночастиц.

Если массив таких наночастиц сформировать в диэлектрической или полупроводниковой среде, его диэлектрические и оптические свойства существенно изменяются. В таком композитном метаматериале металл-полупроводник возникают локализованные поверхностные плазмонные резонансы (ЛППР), характеристики которых зависят как от свойств ансамбля наночастиц, так и от свойств матрицы. Металл-полупроводниковые метаматериалы могут быть интегрированы в устройства с полупроводниковыми лазерами, светодиодами и другими оптоэлектронными компонентами.

К сожалению, такая интеграция зачастую оказывается невозможной, поскольку технология формирования наночастиц обычных плазмонных металлов, серебра или золота, несовместима с технологией эпитаксиального роста полупроводников III-V, широко используемых в оптоэлектронике.

В предыдущем исследовании была изучена возможность реализации локализованного поверхностного плазмонного резонанса в метаматериалах, состоящих из наночастиц As_1-zSb_z, встроенных в полупроводниковую матрицу Al_xGa_1-xAs_1-ySb_y и показана возможность обеспечения локализованного поверхностного плазмонного резонанса вблизи запрещённой зоны полупроводниковой матрицы со встроенной системой наночастиц As_1-zSb_z, сильно обогащённых Sb.

(a) Кристаллическая структура объёмного Bi. (b) Объёмные электронные спектры, рассчитанные в трёх приближениях: GGA-PBE, метаGGA-mBJ и HSE06 вдоль линий высокой симметрии объёмной зоны Бриллюэна (d). (c) Увеличенное изображение спектров вблизи уровня Ферми в точке L. (d) Объёмная поверхность Ферми. (e) Мнимая и действительная части диэлектрической функции ε(ω), рассчитанные в mBJ и PBE, в сравнении с экспериментальными данными. На вставках показаны изменения ε(ω) при гидростатической (слева) и одноосной (справа) деформации

В продолжении упомянутых исследований было проведено изучение диэлектрических потерь в матрице, влияющих на ЛППР и вызывающих неплазмонное оптическое поглощение и рассмотрены наночастицы висмута. Было показано, что даже разбавленная система плазмонных нановключений Sb может существенно изменить спектры оптического поглощения среды. Поэтому метаматериалы на основе наночастиц сурьмы могут быть пригодны для сверхбыстрой обработки оптических сигналов на технологической платформе обычной полупроводниковой оптоэлектроники.

Анализ диэлектрических свойств наночастиц висмута показал, что они могут поддерживают поверхностный плазмонный резонанс в диэлектрической среде в спектральном диапазоне от 1 до 5 эВ. Будучи внедренными в полупроводниковую матрицу Al_xGa_1-xAs, они обеспечивают ЛППР на уровне энергии 2,5 эВ. Даже разбавленная система таких наночастиц обеспечивает сильное резонансное оптическое поглощение, которое должно играть доминирующую роль в оптических свойствах среды при содержании алюминия x в матрице выше 0,7. Требуемая технология низкотемпературного эпитаксиального роста наночастиц Sb и Bi хорошо совместима с традиционной процедурой выращивания, используемой для изготовления электронных и оптоэлектронных устройств на основе Al_xGa_1-xAs.

Работа частично выполнена в рамках государственного задания Института физики прочности и материаловедения СО РАН, тема № FWRW-2022-0001.

Результаты опубликованы в двух статьях в журнале Nanomaterials.

Источник: ИФПМ СО РАН.