Modeling of optical properties of hybrid metal-organic nanostructures

To model spectral characteristics of hybrid metal-organic nanostructures, the extended Mie theory was used, which makes it possible to calculate the extinction efficiency factor (Qext) and the scattering efficiency factor in the near zone (QNF) of two-layer spherical particles placed in an absorbing matrix. Two-layer plasmon nanospheres consisting of a metallic core (Ag, Cu) coated with dielectric shells and located into the copper phthalocyanine (CuPc) matrix were considered. The influence of dielectric shell thickness and refractive index on the characteristics of the surface plasmon resonance of absorption (SPRA) was studied. The possibility of the SPRA band tuning by changing the optical and geometrical parameters of dielectric shells was shown. It was established that dielectric shells allow to shift the surface plasmon resonance band of plasmonic  nanoparticles absorption both  to  short-  and  long-wavelength  spectral  range  depending on the relation between shell and matrix refractive indexes.To model spectral characteristics of hybrid metal-organic nanostructures, the extended Mie theory was used, which makes it possible to calculate the extinction efficiency factor (Qext) and the scattering efficiency factor in the near zone (QNF) of two-layer spherical particles placed in an absorbing matrix. Two-layer plasmon nanospheres consisting of a metallic core (Ag, Cu) coated with dielectric shells and located into the copper phthalocyanine (CuPc) matrix were considered. The influence of dielectric shell thickness and refractive index on the characteristics of the surface plasmon resonance of absorption (SPRA) was studied. The possibility of the SPRA band tuning by changing the optical and geometrical parameters of dielectric shells was shown. It was established that dielectric shells allow to shift the surface plasmon resonance band of plasmonic  nanoparticles absorption both  to  short-  and  long-wavelength  spectral  range  depending on the relation between shell and matrix refractive indexes

Modeling of optical properties of hybrid metal-organic nanostructures

To model spectral characteristics of hybrid metal-organic nanostructures, the extended Mie theory was used, which makes it possible to calculate the extinction efficiency factor (Qext) and the scattering efficiency factor in the near zone (QNF) of two-layer spherical particles placed in an absorbing matrix. Two-layer plasmon nanospheres consisting of a metallic core (Ag, Cu) coated with dielectric shells and located into the copper phthalocyanine (CuPc) matrix were considered. The influence of dielectric shell thickness and refractive index on the characteristics of the surface plasmon resonance of absorption (SPRA) was studied. The possibility of the SPRA band tuning by changing the optical and geometrical parameters of dielectric shells was shown. It was established that dielectric shells allow to shift the surface plasmon resonance band of plasmonic nanoparticles absorption both to short- and long-wavelength spectral range depending on the relation between shell and matrix refractive indexes

ПЛАЗМОННЫЙ РЕЗОНАНС В ПЛАНАРНЫХ СЛОИСТЫХ НАНОСТРУКТУРАХ СЕРЕБРО-ФТАЛОЦИАНИН НИКЕЛЯ1

Spectral properties of nickel phthalocyanine (NiPc) and silver (Ag) thin films, as well as of planar hybrid nanostructures composed of organic semiconductor nanometer films contacting with silver island structures were studied. All nanostructures were fabricated by thermal vacuum evaporation on glass and quartz substrates (S). Two configurations of planar hybrid nanostructures were investigated, in which the silver nanoparticle monolayer was placed under the NiPc film (S/Ag/NiPc) and over the NiPc film (S/NiPc/Ag). The NiPc film thickness was changed from 10 to 30 nm. The silver surface density was about 2⋅10-6 g/cm2. The surface structure of films was studied with the use of a scanning probe microscope “Solver P47 - PRO” in the semi-contact regime. Optical spectra were recorded by a spectrophotomer “Cary 500”. The most significant increasein the organic film absorption in a presence of Ag nanoparticles was observed for the NiPc film thickness of 10 nm over the spectral range of electronic absorption bands λ ~ 600–700 nm. The effect is due to the local field strengthening near the plasmonic nanoparticles surface for distances compared with nanoparticle sizes. Quantitative regards showed that for the nanostructures of S/Ag/NiPc and S/NiPc/Ag the existence of Ag nanoparticles leads to an increase in the optical density at the wavelength λ = 625 nm at 25 and 33 %, respectively. We suppose that the dependence of the NiPc film effective absorption on the hybrid nanostructure configuration may be related to the features of the nanostructure formation in the process of thermal evaporation.Изучены спектральные свойства тонких пленок фталоцианина никеля (NiPc) и серебра (Ag), полученных термическим осаждением в вакууме на стеклянные и кварцевые подложки (П), а также планарных гибридных наноструктур, в которых нанометровые пленки органического полупроводника контактируют с островковыми структурами серебра. Исследованы две конфигурации планарных гибридных наноструктур – монослой наночастиц серебра под пленкой фталоцианина никеля (П/Ag/NiPc) и монослой наночастиц серебра над пленкой фталоцианина никеля(П/NiPc/Ag). Толщина пленок NiPc изменялась от 10 до 30 нм. Поверхностная плотность металла составляла ~ 2⋅10–6 г/см2.. С помощью сканирующего зондового микроскопа Solver P47-PRO в полуконтактном режиме изучена структура исследуемых наноструктур. Оптические спектры записывались на спектрофотометре Cary 500. Установлено, что присутствие наночастиц Ag наиболее значительно усиливает эффективное поглощение пленки NiPc толщиной ~ 10 нм в области электронных полос поглощения λ ~ 600–700 нм. Данный эффект проявляется за счет способности плазмонных наночастиц усиливать локальное поле вблизи своей поверхности на расстояниях, сравнимых с размерами наночастиц. Количественные оценки показали, что наличие наночастиц Ag приводит к увеличению оптической плотности на длине волны λ = 625 нм для наноструктур П/Ag/NiPc и П/NiPc/Ag соответственно на 25и 33 %. Предполагается, что зависимость величины эффективного поглощения пленки NiPc от конструкции гибридной системы может быть связана с особенностями формирования наноструктур в процессе термического осаждения

Концентрационная зависимость полосы плазмонного поверхностного резонанса поглощения наноструктур золота в углеродсодержащих матрицах

For fullerene matrixes doped by gold nanoparticles we have established experimentally a miss of a red concentration-induced shift of surface plasmon resonance absorption band maximum. Theoretical modeling has been made for spectral characteristics of carbon–bearing nanostructures. Numerical calculations of extinction factors for a spherical metallic particle in an absorbing surrounding medium were based on the Mie theory. Transmission spectra coefficients of densely packed plasmonic nanoparticles monolayers were calculated with the use of the single coherent scattering approximation modified for absorbing matrices. Thin-film Au-air and Au–C60 nanostructures have been fabricated on glass and quartz substrates by thermal evaporation and condensation in vacuum at an air pressure of 2 · 10–3 Pа. The surface mass density of Au into Au–C60 nanostructures was varied in the range (3.86–7.98) · 10–6 g/cm2. The comparison of theoretical and experimental data allowed making a conclusion that the absorbency in carbon-bearing matrix leads to the attenuation of lateral electrodynamics coupling and blocks collective plasmon resonance in densely packed gold nanostructures.Экспериментально установлено, что для наноструктур Au–С60 наблюдается подавление длинноволнового концентрационного сдвига максимума полосы плазмонного поверхностного резонанса поглощения. Проведено теоретическое моделирование спектральных характеристик углеродсодержащих наноструктур. Расчеты экстинкции для одной металлической наночастицы проводились с использованием теории Ми для поглощающих матриц. Коэффициент когерентного пропускания плотноупакованного монослоя плазмонных наночастиц вычислялся с использованием модифицированного для поглощающих матриц приближения однократного когерентного рассеяния. Тонкопленочные наноструктуры Au и Au–C60 на подложках из стекла и кварца получали методом термического испарения и конденсации в вакууме при остаточном давлении воздуха 2·10–3 Па. Поверхностная плотность Au в наноструктурах Au–C60 изменялась в пределах (3,86–7,98)·10–6 г·см–2 . На основе сравнения теоретических и экспериментальных результатов сделан вывод об ослаблении коллективных латеральных электродинамических взаимодействий между наночастицами золота в фуллереновой матрице С60, характеризующейся наличием поглощения

Спектрально-кинетические свойства нестационарного поглощения гибридных наноструктур серебро–фталоцианин меди

In this paper, we studied the dynamics of transient absorption spectra of a hybrid nanostructure (Ag–CuPc)6 Ag based on island silver films and copper phthalocyanine thin films, as well as individual structural units of this system, by femtosecond transient absorption spectroscopy. It is found that the effects observed for a hybrid nanostructure reflect the existing mutual influence of the plasmonic and organic subsystems on the spectral-kinetic characteristics of each other. The characteristic time of the main component of induced optical density kinetics at a wavelength λ = 525 nm (τ ~ 15 ps) that is caused by singlet-triplet relaxation of the excited electronic states of the organic subsystem of the hybrid structure is noticeably shorter than the relaxation time (τ ~ 50 ps) at the same wavelength for a pure copper phthalocyanine film of 40 nm thickness, just the same as the total thickness of the organic subsystem in the hybrid structure. It is assumed that the presence of silver nanoparticles in the hybrid structure (Ag–CuPc)6 Ag, affects the probability of intersystem conversion in the organic subsystem, accelerating the transition of CuPc molecules to a long-lived triplet state due to a strong local field near the surface of the plasmon particle. The triplet-triplet absorption spectrum of copper phthalocyanine in the spectral range 470–750 nm was obtained.Представлены результаты исследования с фемтосекундным временным разрешением нестационарных спектров поглощения гибридных наноструктур на основе островковых пленок серебра и фталоцианина меди (CuPc). Установлено, что динамика нестационарных спектров поглощения гибридной системы (Ag–CuPc)6 Ag отражает существующее взаимное влияние плазмонной и органической подсистем на характеристики электронных состояний и спектрально-кинетические свойства друг друга. Время релаксации основной компоненты в кинетике релаксации наведенного поглощения на длине волны λ = 525 нм (τ ~ 15 пс), обусловленной синглет-триплетной релаксацией, для органической подсистемы CuPc суммарной толщиной l ~ 40 нм в гибридной структуре заметно короче времени релаксации (τ ~ 50 пс) аналогичной компоненты для чистой пленки фталоцианина меди такой же толщины. Предполагается, что присутствие наночастиц серебра в гибридной структуре (Ag–CuPc)6 Ag влияет на вероятность интеркомбинационных переходов в органической подсистеме, ускоряя переход молекул CuPc в долгоживущее триплетное состояние

СПЕКТРАЛЬНО-ВРЕМЕННАЯ ДИНАМИКА НЕСТАЦИОНАРНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ПЛАЗМОННЫХ НАНОСТРУКТУР

The features of the induced changes in the optical density spectra of multilayer Ag-Na3 AlF6 nanostructures under a femtosecond laser pulses exitation in the band of surface plasmonic resonance of absorption (SPRA) were studied. The dependence of the amplitude of the induced changes on the thickness of the dielectric Na3 AlF6 films separating the monolayeres of silver nanoparticles was registered. A significant increase of the optical response amplitude (up to 80 %) was found for the nanostructures with the quarter-wavelength Na3 AlF6 interlayers. For nanostructures with different-thickness dielectric Na3 AlF6 interlayers the characteristic relaxation times of induced changes at an excitation energy of 5–10 μJ do not practically vary, are equal to ~2 ps and coincide with the kinetic response time parameters of the used silver nanoparticle monolayers. Изучены особенности наведенных изменений в спектрах оптической плотности многослойных наноструктур Ag-Na3 AlF6 при их возбуждении фемтосекундными лазерными импульсами в полосе плазмонного поверхностного резонанса поглощения (ППРП). Зарегистрирована зависимость амплитуды наведенных изменений в области ППРП от толщины диэлектрических пленок Na3 AlF6 , разделяющих монослои наночастиц серебра. Обнаружено существенное увеличение амплитуды оптического отклика (до 80 %) для наноструктуры с четвертьволновыми прослойками Na3 AlF6 . Характеристические времена релаксации наводимых изменений при энергиях возбуждения 5–10 мкДж для наноструктур с различной толщиной диэлектрических прослоек Na3 AlF6 практически не изменяются, составляют ~2 пс и совпадают с временными параметрами кинетического отклика, характерными для используемого монослоя наночастиц Ag.

Modeling of optical properties of hybrid metal-organic nanostructures

The development of modern nanotechnologies for the production of effective elements of nanophotonics, nanoplasmonics and nanoelectronics is largely aimed at the creation of hybrid nanostructures which include both plasmonic and organic components. One of the types of such hybrid nanostructures are ultradisperse media consisting of plasmonic metal-containing nanoparticles embedded in a matrix of organic semiconductors. With dense packing of nanoparticles in such nanocomposites, interparticle electrodynamic interactions associated with near-field scattering and coherent re-irradiation by particles of each other have the most important influence on their optical properties. By changing the material, size, shape or internal structure of plasmonic nanoparticles included in a hybrid metal-semiconductor nanocomposite, it is possible to adjust the degree of overlap of the spectral absorption bands of the nanocomposite components, which, in turn, affects the severity of near-field interparticle interactions. One of the ways to control the near-field scattering efficiency and absorption spectra characteristics of plasmon nanoparticles is to apply shells on their surfaces. This circumstance determines the importance of developing methods for modeling the optical properties of hybrid metal-organic nanostructures containing two-layer nanoparticles

ВИСОКИЙ СЕНСОРНИЙ ПОТЕНЦІАЛ САМОВПОРЯДКОВАНИХ МЕТАЛЕВИХ НАНОСТРУКТУР

We have experimentally and theoretically studied the sensitivity of surface plasmon frequency to the change in dielectric environment refractive index under conditions of lateral electrodynamic coupling between silver nanoparticles. The considerable increase in sensing ability of closepacked nanoparticle monolayers has been established as compared with uncoupled nanoparticles.Экспериментально и теоретически исследовано влияние латеральных электродинамических взаимодействий между серебряными наночастицами в плотноупакованных монослоях на чувствительность частоты резонанса поверхностного плазмонного поглощения к изменению показателя преломления диэлектрического окружения. Установлено значительное концентрационное увеличение сенсорной способности плотноупакованных монослоев в сравнении с отдельными наночастицами.Експериментально і теоретично досліджено вплив латеральних електродинамічних взаємодій між срібними наночастинками в щільноупакованих монослоях на чутливість частоти резонансу поверхневого плазмонного поглинання до зміни показника заломлення діелектричного оточення. Встановлено значне концентраційне збільшення сенсорної здатності щільноупакованих моношарів у порівнянні з окремими наночастинками