Metallisten nanopartikkelihilojen optisten vasteiden lämpötilasäädettävyys

Abstract

Metamateriaalit ovat keinotekoisia aineita, joiden ominaisuudet riippuvat paitsi käytetystä materiaalista myös aineen nanoskaalan rakenteesta. Yksi metamateriaalien tyyppi on metalliset nanopartikkelihilat. Tähän metamateriaaliin liittyy kaksi tärkeää resonanssitilaa: paikallinen pintaplasmoniresonanssi (engl. Localised Surface Plasmon Resonance, LSPR) ja pintahilaresonanssi (engl. Surface Lattice Resonance, SLR). LSPR on yksittäisissä nanopartikkeleissa syntyvä resonanssi elektronien liikkeen ja tulevan valon välillä. SLR on nanopartikkelihiloihin syntyvä resonanssitila, jossa nanopartikkelit kytkeytyvät toisiinsa sirottaessaan valoa toisiin nanopartikkeleihin.

Työn tavoitteena on selvittää lämpötilan muutosten vaikutuksen suuruutta LSPR:ään ja SLR:ään. Molempien resonanssien yleistä teoriaa käsitellään erikseen työn kirjallisuustutkimusossa. Laskennallisessa osassa ratkaistaan molempien resonanssien lämpötilariippuvuutta numeerisesti kirjallisuustutkimusosassa esiintyvien mallien pohjalta. Näiden lisäksi suoritetaan kokeellinen osa SLR:n lämpötilariippuvuuden todentamiseksi. Työssä osoitetaan, että molempien resonanssien tapauksessa sekä niiden voimakkuus että niiden hyvyysluku $Q$ pienenevät lämpötilan kasvaessa. Myös resonanssien keskitaajuudet muuttuvat lämpötilan funktiona. Tarkemmin sanoen LSPR punasiirtyy ja SLR sinisiirtyy lämpötilan kasvaessa.

Numeeriset tulokset lämpötilariippuvuudelle tuottavat suuremman lämpötilariippuvuuden SLR:n tapauksessa kuin LSPR:n tapauksessa. Tämän takia työssä tutkitaan SLR:n lämpötilariippuvuutta myös kokeellisesti. Kokeelliset tulokset vahvistavat kvalitatiivisesti teoreettisten mallien ennustukset hyvyysluvun, resonanssin voimakkuuden ja keskitaajuuden osalta. Hyvyysluvun osalta kokeelliset tulokset antoivat kuitenkin huomattavasti teoreettista mallia suuremman lämpötilariippuvuuden. Yksi syy eroissa kokeiden ja teoreettisen mallin välillä voi johtua käytetyn teoreettisen mallin puutteista mallintaa aineen heterogeenisyyttä.

Todetut lämpötilariippuvuudet tuovat tavan hienosäätää metallisten nanopartikkelihilojen optista vastetta niiden valmistuksen jälkeen. Lämpötilariippuvuus saattaa myös mahdollistaa saturoituvien absorbaattoreiden valmistuksen metallisista nanopartikkelihiloista.