Metallisten nanopartikkelien termiset ominaisuudet lyhyiden laser-pulssien virityksessä

Abstract

Työssä tutkittiin numeerisesti laserpulssien vuorovaikutusta metallisen nanopartikkelihilan kanssa. Tarkoituksena oli selvittää, kuinka suuria suhteellisia lämpötilan nousuja nanopartikkeleissa voidaan olettaa tapahtuvan kokeissa, joissa nanopartikkelihiloja valaistaan pulssitetuilla lasersäteillä. Tämän selvittämiseksi työssä esitetään ilmiön teoreettista taustaa alkaen valon ja aineen vuorovaikutuksesta Maxwellin yhtälöiden kautta. Plasmonivärähtelyyn nanopartikkelissa vaikuttavat sen koko, materiaali ja muoto. Nanopartikkelien muotoon hilassa voidaan vaikuttaa valmistustavoilla, joista esitellään esimerkkeinä elektronisuihkulitografia, optinen litografia sekä eräs aerosolimenetelmä. Seuraavaksi siirrytään tarkastelemaan lämpöenergian siirtymistä yksittäisten nanopartikkelien sisällä, sekä sen jakautumista nanopartikkeleita ympäröivään väliaineeseen. Nanopartikkeleihin absorboituvan energian määrä saadaan laskettua, kun virittävän valonlähteen intensiteetti sekä pulssien ajallinen pituus tiedetään. Nanopartikkelihilan lämpenemiseen pulssittaisessa valaistuksessa vaikuttaa myös pulssien toistotaajuus, josta voidaan määrittää kahden vierekkäisen pulssin välinen aikaero. Pulssien välisenä aikana nanopartikkelihilan lämpöenergia jakautuu ympäristöön. Hypoteesina oli, että tietyn toistotaajuuden jälkeen nanopartikkelihilan lämpöenergia ei ehtisi tasoittumaan ympäristöön, vaan se kasvaisi kumulatiivisesti suuremmaksi, lopuksi rikkoen hilanäytteen. Ilmiön tutkimiseksi tehtiin Matlab-mallinnus laserpulssituksesta. Nanopartikkelien parametrit otettiin toisesta tutkimuksesta, mutta hilassa nanopartikkelit approksimoitiin pistemäisiksi lämpöenergian lähteiksi. Malli rajoittui ajallisesti tarkastelemaan lämpöenergiaa ensimmäisten nanosekuntien jälkeen, eikä malli huomioinut partikkelien sisäisiä fononien sekä elektronien vuorovaikutuksia. Mallin avulla selvitettiin, miten toistotaajuuden kasvattaminen vaikuttaisi lämpöenergian jakautumiseen nanopartikkeleita ympäröivässä väliaineessa, jonka ajateltiin työssä olevan lasia. Mallinnus osoitti hypoteesin oikeaksi, vaikkakin sen vertautuvuutta kokeelliseen tulokseen on vaikea todeta. Approksimaatiot laskennan yksinkertaistamiseksi olivat suuria, mutta niiden avulla voitiin osoittaa oikea suunta tuloksille.