References

zhps

Журнал прикладной спектроскопии

Zhurnal Prikladnoii Spektroskopii

0514-7506

B. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Sciences

10.47612/0514-7506-2023-90-2-299-309

zhps-1275

Research Article

СПЕКТРОСКОПИЯ РАССЕИВАЮЩИХ СРЕД

SPECTROSCOPY OF SCATTERING MEDIA

Оптический отклик композитной системы “монослой сферических частиц в поглощающей матрице” при падении плоской волны по нормали

Optical Response of a Composite System “Monolayer of Spherical Particles in an Absorbing Matrix” at Normal Incidence of Plane Wave

Лойко

Н. А.

Loiko

N. A.

Минск

Minsk

n.loiko@ifanbel.bas-net.by

Мискевич

А. А.

Miskevich

A. A.

Минск

Minsk

miskevic@ifanbel.bas-net.by

Лойко

В. А.

Loiko

V. A.

Минск

Minsk

loiko@ifanbel.bas-net.by

Институт физики НАН БеларусиB. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Sciences of Belarus

2023

25032023

902299309

2023

Лойко Н.А., Мискевич А.А., Лойко В.А.

Loiko N.A., Miskevich A.A., Loiko V.A.

Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://zhps.ejournal.by/jour/article/view/1275

Получены уравнения для описания рассеяния и поглощения излучения освещаемым по нормали монослоем одинаковых сферических частиц, находящимся в однородной светопоглощающей среде (матрице). Они основаны на использовании квазикристаллического приближения, приближения среднего поля и мультипольного разложения полей и тензорной функции Грина по векторным сферическим волновым функциям. Представлены результаты численного анализа коэффициентов когерентного пропускания и отражения, некогерентного рассеяния, поглощения композитных систем (монослоя наночастиц золота (Au) в фуллереновой (C60) матрице и монослоя наночастиц серебра (Ag) в матрице фталоцианина меди (CuPc)) в видимом диапазоне спектра при разных концентрациях и размерах частиц. Проведено сравнение зависимостей длины волны максимума плазмонного резонанса поглощения от фактора заполнения частично упорядоченного монослоя, рассчитанных с учетом (в квазикристаллическом приближении) и без учета (в интерференционном приближении) многократного рассеяния волн. Результаты расчетов качественно согласуются с известными данными эксперимента по длинноволновому сдвигу полосы резонанса с ростом фактора заполнения монослоя. Полученные уравнения могут быть использованы при решении задач оптики тонких пленок, разработке фотонных и оптоэлектронных устройств, содержащих поглощающие матрицы.

The equations are derived to describe scattering and absorption of light by a normally illuminated monolayer of identical spherical particles in a homogeneous light-absorbing medium (matrix). They are based on the quasicrystalline approximation, mean-field approximation, and multipole expansion of fields and tensor Green’s function in terms of vector spherical wave functions. The results are presented of numerical analysis of the coefficients of coherent transmission and reflection, incoherent scattering, and absorption of composite systems (a monolayer of gold (Au) nanoparticles in fullerene (C60) matrix and a monolayer of silver (Ag) nanoparticles in copper phthalocyanine (CuPc) matrix) in visible spectrum at different concentrations and sizes of particles. The comparison is made of the dependences of the wavelength of the absorption plasmon resonance maximum on the filling factor of the partially ordered monolayer, calculated with (in the quasicrystalline approximation) and without (in the interference approximation) taking into account multiple scattering of waves. The calculation results are in qualitative agreement with the know experimental data on the red-shift of the resonance with increasing in the monolayer filling factor. The derived equations can be used in solving problems of thin-film optics, developing photonic and optoelectronic devices containing absorbing matrices.

светопоглощающая средамонослой сферических частицмногократное рассеяние волнмультипольное разложение полейпоглощение излученияметаповерхность

light-absorbing mediummonolayer of spherical particlesmultiple scattering of wavesmultipole expansion of fieldsabsorption of lightmetasurface

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (проект № Ф23КИ-020).

References1

B. Daneshfard, B. Dalfardi, G. S. M. Nezhad. J. Med. Biography, 24, N 2 (2016) 227—231

Б. И. Степанов. Введение в современную оптику. Фотометрия. О возможном и невозможном в оптике, Минск, Навука і тэхніка (1989)

Б. И. Степанов. Введение в современную оптику. Квантовая теория взаимодействия света и вещества, Минск, Навука і тэхніка (1990)

Б. И. Степанов. Введение в современную оптику. Поглощение и испускание света квантовыми системами, Минск, Навука і тэхніка (1991)

О. П. Гирин, Б. И. Степанов. ЖЭТФ, 27 (1954) 467—478

K. M. Hong. J. Opt. Soc. Am., 70 (1980) 821—826

A. Modinos. Physica, 141A (1987) 575—588

C. Soci, G. Adamo, D. Cortecchia, K. Wang. Opt. Mater., X, N 17 (2023) 100214, https://doi.org/10.1016/j.omx.2022.100214

L. Novotny, B. Hecht. Principles of Nano-Optics, Cambridge University Press (2012)

M. Quinten. Optical Properties of Nanoparticle Systems: Mie and Beyond, Wiley (2010)

A. García-Valenzuela, E. Gutiérrez-Reyes, R. G. Barrera. J. Opt. Soc. Am. A, 29 (2012) 1161—1179

A. I. Kuznetsov, A. E. Miroshnichenko, M. L. Brongersma, Y. S. Kivshar, B. Luk’yanchuk. Science, 354 (2016) 2472(1—8)

V. G. Kravets, A. V. Kabashin, W. L. Barnes, A. N. Grigorenko. Chem Rev., 118, 5912—5951 (2018)

A. A. Miskevich, V. A. Loiko. J. Exp. Theor. Phys., 113 (2011) 1—13

V. A. Loiko, A. A. Miskevich. Opt. Spectr., 115 (2013) 274—282

A. A. Miskevich, V. A. Loiko. J. Quant. Spectr. Rad. Transf., 151 (2015) 260—268

N. A. Loiko, A. A. Miskevich, V. A. Loiko. J. Opt. Soc. Am. A, 35 (2018) 108—118

N. A. Loiko, A. A. Miskevich, V. A. Loiko. J. Exp. Theor. Phys., 126 (2018) 159—173

N. A. Loiko, A. A. Miskevich, V. A. Loiko. Opt. Spectr., 125 (2018) 655—666

V. A. Loiko, A. A. Miskevich. In: Multiple Light Scattering, Radiative Transfer and Remote, Ed. A. A. Kokhanovsky, 1, ch. 2, Sensing Springer Series in Light Scattering, Springer (2018) 101—230

N. A. Loiko, A. A. Miskevich, V. A. Loiko. J. Exp. Theor. Phys., 131 (2020) 227—243

N. A. Loiko, A. A. Miskevich, V. A. Loiko. J. Opt. Soc. Am. B, 38 (2021) C22—C32

N. A. Loiko, A. A. Miskevich, V. A. Loiko. J. Quant. Spectr. Rad. Transf., 266 (2021) 107571(1—20)

N. A. Loiko, A. A. Miskevich, V. A. Loiko. J. Quant. Spectr. Rad. Transf., 289 (2022) 108291(1—9)

N. A. Loiko, A. A. Miskevich, V. A. Loiko. J. Opt. Soc. Am. A, 39 (2022) C36—C44

M. Lax. Phys. Rev., 85 (1952) 621—629

B. P. Rand, P. Peumans, S. R. Forrest. J. Appl. Phys., 96 (2004) 7519

J.-Y. Lee, P. Peumans. Opt. Exp., 18 (2010) 10078—10087

K. Vynck, M. Burresi, F. Riboli, D. S. Wiersma. Nat. Mater., 11 (2012) 1017—1022

F. L.-P. Sergio, G. Rodrigo, L. Martín-Moreno. Proc. IEEE, 104 (2016) 2288—2306

M. Olaimat, L. Yousefi, O. Ramahi. J. Opt. Soc. Am. B, 38 (2021) 638—651

W. Yang, S. Feng, X. Zhang, Y. Wang, C. Li, L. Zhang, J. Zhao, G. Gurzadyan, S. Tao. ACS Appl. Mater. Interfaces, 13 (2021) 38722—38731

W. C. Mundy, J. A. Roux, A. M. Smith. J. Opt. Soc. Am., 64 (1974) 1593—1597

C. F. Bohren, D. P. Gilra. J. Colloid Interface Sci., 72 (1979) 215—221

I. W. Sudiarta, P. Chylek. J. Quant. Spectr. Rad. Transf., 70 (2001) 709—714

G. Videen, W. Sun. Appl. Opt., 42 (2003) 6724—6727

J. Yin, L. Pilon. J. Opt. Soc. Am. A, 23 (2006) 2784—2796

Q. Fu, W. Sun. J. Quant. Spectr. Rad. Transf., 100 (2006) 137—142

Р. А. Дынич, А. Н. Понявина, В. В. Филиппов. Журн. прикл. спектр., 76, № 5 (2009) 746—751 [R. A. Dynich, A. N. Ponyavina, V. V. Filippov. J. Appl. Spectr., 76 (2009) 704—710]

M. I. Mishchenko, G. Videen, P. Yang. Opt. Lett., 42 (2017) 4873—4876

M. I. Mishchenko, J. M. Dlugach. J. Quant. Spectr. Rad. Transf., 211 (2018) 179—187

L. X. Ma, B. W. Xie, C. C. Wang, L. H. Liu. J. Quant. Spectr. Rad. Transf., 230 (2019) 24—35

J. Dong, W. Zhang, L. Liu. Opt. Exp., 29 (2021) 7690—7705

N. G. Khlebtsov. J. Quant. Spectr. Rad. Transf., 280 (2022) 108069

J. Ziman. Models of Disorder, Cambridge University (1979)

А. П. Иванов, В. А. Лойко, В. П. Дик. Распространение света в плотноупакованных дисперсных средах, Минск, Наука и техника (1988)

P. M. Morse, H. Feshbach. Methods of Theoretical Physics, New York, McGraw-Hill Book (1953)

V. A. Babenko, L. G. Astafyeva, V. N. Kuzmin. Electromagnetic Scattering in Disperse Media: Inhomogeneous and Anisotropic Particles, Berlin, Springer (2003)

Ch.-T. Tai. Dyadic Green Functions in Electromagnetic Theory, New York, IEEE Press (1993)

O. R. Cruzan. Q. Appl. Math., 20 (1962) 33—40

J. K. Percus, G. J. Yevick. Phys. Rev., 110 (1958) 1—13

R. A. Dynich, A. D. Zamkovets, A. N. Ponyavina, E. М. Shpilevsky. Proc. NAS of Belarus. Phys. Math. Ser., 55 (2019) 232—241

E. D. Palik. Handbook of Optical Constants of Solids, 1, Academic (1985)

V. Sittinger, P. S. C. Schulze, Ch. Messmer, A. Pflug, J. Ch. Goldschmidt. Opt. Exp., 30 (2022) 37957—37970

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