Особенности экстинкции диэлектрических наноразмерных частиц

При изучении наносостояния представляет интерес сравнить затухание света в объёмном образце данного вещества с затуханием в том же веществе, но в измельчённом, или дисперсном, состоянии. Сравнение спектров экстинкции в малых частицах разного размера со спектрами поглощения объёмного вещества частиц обнаруживает как их сходства, так и различия.

В качестве примера можно привести рассчитанные кривые экстинкции для трёх различных радиусов водяных капель в воздушной среде. На рис. 3 показаны графики эффективности экстинкции Q_ext как функции обратной длины волны 1/l.

Рис.3

Как видно из рис. 3, все кривые имеют ряд широких максимумов и минимумов. В случае частиц размером 1 мк и 200 нм осцилляции сходятся к некоторому значению, и далее экстинкция не изменяется. Однако когда размер частицы становится много меньше длины волны, экстинкция, несмотря на осцилляции, имеет тенденцию к повышению и предельных значений не достигает. Это видно из кривой экстинкции для частицы с размером 50 нм.

Вместе с тем, пики, имеющиеся в спектре объёмного поглощения, сохраняются в спектре экстинкции частицы, малой по сравнению с длиной волны. Например, пик экстинкции вблизи 6 мкм^-1 для капли радиусом 50 нм является пиком поглощения объёмного вещества. Это иллюстрирует тот факт, что для малых частиц поглощение преобладает над рассеянием, если наблюдается заметное поглощение этих длин волн в объёмном материале.

На рис. 4, а приведены зависимости сечения экстинкции от энергии излучения для шариков из MgO разного среднего размера. Масштабы вдоль обеих осей логарифмические. На рис. 4. б для сравнения свойств объёмного вещества и мелких его частиц приведён график коэффициента поглощения объёмного вещества.

Рис.4

Как видно из представленных зависимостей, затухание света в дисперсном слое из MgO заметно отличается от затухания в объёмном образце.

На длинах волн видимого диапазона и вблизи него объёмные образцы MgO высоко прозрачны (рис..4, б). В дисперсном слое из MgO на этом участке экстинкция довольно высока, причем она линейно растёт с увеличением энергии излучения (рис..5, а). Следовательно, экстинкция в слое наноразмерных частиц MgO в видимом диапазоне определяется рассеянием. Согласно теории, для малых по сравнению с длиной волны частиц рассеяние пропорционально четвёртой степени энергии фотона. В этом случае зависимость экстинкции от энергии излучения на графике с логарифмическими масштабами представляется линейной функцией. Как видно из рисунка, наиболее длинный участок прямой линии наблюдается у частиц размером 10 и 50 нм. При средних диаметрах 200 нм прямой участок сокращается, а у частиц в 1 мк он совсем небольшой.

Если частицы велики по сравнению с длиной волны, то связанная с рассеянием экстинкция почти не зависит от энергии фотона. Например, в случае частиц со средним размером 1 мкм существует широкая область длин волн, где экстинкция почти постоянна. Горизонтальные участки наблюдаются также на графиках экстинкции у частиц с диаметром 200 и 50 нм, но значительно меньшей протяжённости.

Вблизи края полосы поглощения объёмного MgO, что соответствует энергии излучения ~7 эВ, экстинкция частиц радиусом 10 нм резко, почти вертикально, возрастает.

На длинах волн инфракрасного диапазона экстинкция в частицах из MgO определяется, в основном, поглощением. По расчёту максимум экстинкции приходится на 0, 075 эВ, в то время как поглощение объёмного образца максимально на частоте примерно 0, 05 эВ. Такое заметное расхождение объясняется возникновением в малых частицах поверхностных колебаний из-за коллективных возбуждений ионов решётки.

Рассеяние, хотя его абсолютные значения гораздо меньше, также присутствует в экстинкции малых частиц MgO в инфракрасном диапазоне. Оно изображёно на рис. 4 пунктиром. Рассеяние тоже имеет максимум около 0, 075 эВ, но резко спадает около 0, 1 эВ, что отражено на графиках глубоким минимумом на данной энергии излучения. Таким образом, прохождение света определённой частоты через скопление УД-частиц оказывается максимальным, поскольку его рассеяние почти исчезает. Другими словами, слой малых частиц работает как селективный фильтр инфракрасного излучения, пропуская определённую длину волны и сильно рассеивая соседние частоты.

На рис. 5 приведены экспериментальные спектры экстинкции для взвесей полистироловых шаров в воде. Вода прозрачна при длинах волн примерно между 0, 2 – 1, 3 мк, что ограничивает измерения этим диапазоном. Кривые изображены в том виде, в каком они строятся прибором.

Рис.5

Из графиков видно, что при уменьшении среднего размера частиц область экстинкции уменьшается: материал оказывается прозрачным для большого интервала длин волн. Интерференционный максимум смещается в коротковолновую область, при этом экстинкция сильно возрастает.