Наноплазмоника, фотовольтаика и узкополосные оптические фильтры Мартынов Я.Б. ФГУП «ИСТОК», Назмитдинов Р.Г. Объединенный институт ядерных исследований, - презентация

1 Наноплазмоника, фотовольтаика и узкополосные оптические фильтры Мартынов Я.Б. ФГУП «ИСТОК», Назмитдинов Р.Г. Объединенный институт ядерных исследований, Гладышев П.П. Университет «Дубна»

2 Чем занимается наноплазмоника? Изучает оптические свойства металлических наночастиц и наноструктур. Большое количество электронов проводимости в металле + малые размеры В чем ее привлекательность? Собственные частоты колебаний электронов относительно ионов решетки в наночастицах лежат в оптическом и инфракрасном диапазоне Сильное связывание электромагнитных и плазменных волн (плазмон- поляритон). Усиление оптических полей (эффект светящегося острия)

3 Множество применений: Ближнеполевая оптическая микроскопия и фотолитография Усиленное плазмонами фото детектирование

4 Множество применений: Модуляторы Нелинейная оптика: генерация второй гармоники Достигнуто увеличение эффективности генерации

5 Множество применений: Фотокатализ Управление химическими реакциями с помощью быстрого локального нагрева Продемонстрировано влияние концентрации ЭМ поля плазмонами на скорость диссоциации диметила кадмия Chen, C. J. & Osgood, R. M. Direct observation of the local field enhanced surface photochemical reactions Phys. Rev. Lett. 50, 1705–1708 (1983). Избирательное уничтожение раковых клеток; модификация полимерных поверхностей; локальный контроль фазовых превращений; выращивание одиночных полупроводниковых нанопроволок и углеродных нанотрубок; химическая сепарация; доставка лекарств; обратимая фототермическая денатурация ДНК

6 Множество применений: Управление интенсивностью люминесценции Управление спонтанным излучением (наноразмерный лазер и spaser) Kim, S. et al. High harmonic generation by resonant plasmon field enhancement. Nature 453, 757–760 (2008). Noginov, M. A. Demonstration of a spaser-based nanolaser. Nature 460, 1110–1112 (2009). Spaser - surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation Сенсоры

7 Множество применений: Эмиттеры инфракрасного излучения Метаматериалы A. Alu, N. Engheta Cloaking a Sensor, PRL 102, (2009) Суперлинза, электромагнитные маскирующие покрытия Термофотовольтаика Закон Кирхгофа Puscasu, I. & Schaich, W. L. Narrowband, tunable infrared emission from arrays of microstrip patches. Appl. Phys. Lett. 92, (2008). Greffet, J. J. et al. Coherent emission of light by thermal sources. Nature 416, 61–64 (2002). Скрытый сенсор

8 Невидимость плазмонной нано оболочки Сечение рассеяния непоглощающей сферической нано оболочки может стать нулевым. M. Kerker, J. Opt. Soc. Am. 65, 376 (1975) На определенной частоте суммарное поле созданное поляризационными зарядами вне нано оболочки равно нулю – частица невидима, среда прозрачна! Металл Диэлектрик

9 Узкополосные оптические фильтры Подбирая можно сделать так чтобы частоты двух плазмонных резонансов лежали как можно ближе к области прозрачности – узкополосный фильтр На частотах плазмонного резонанса поглощение + рассеяние внешнего излучения максимальны Martynov, Nazmitdinov,Tanachev, Gladyshev, JETP Letters 95 (2012)122 Martynov, Nazmitdinov,Tanachev, Gladyshev, Narrow optical band-pass filters and nanoplasmonics, Dubna- Nano 2012 Journal of Physics: Conference Series 393 (2012) doi: / /393/1/012007

10 Наноплазмоника и фотовольтаика e-e- Фото ЭДС Энергия e-e- n-тип p-тип 1 e - - h + пара/фотон η max = 32% Потери на термализацию hνhν Один из источников потерь – термализация горячих электронов Потери на термализацию

11 Наноплазмоника и фотовольтаика Выход: сделать фотоэлемент тоньше – термализация не успеет произойти! Сделать плазмонные световые ловушки. Но и фотон не успеет поглотиться… Возможные варианты ловушек Световые ловушки на основе локализованных плазмонов в металлических наночастицах, встроенных в полупроводник Световые ловушки на основе поверхностных плазмонов на границе раздела металл - полупроводник H. Atwater, A. Polman,Nature Materials, V. 9, March 2010, pp

12 Обычные барьеры в качестве селективных контактов Полупроводники с большой запрещенной зоной и узкой зоной проводимости в качестве селективных барьеров Обычные широкозонные полупроводники в качестве селективных барьеров Würfel P (1997), Solar energy conversion with hot electrons from impact ionisation, Solar Energy Materials and Solar Cells 46: Y. Martynov, P. Gladyshev, R. Nazmitdinov, I. Tanachev, V. Tuzova, S. Filin, Quasi-Hydrodynamic Model and Peculiarities of Charge Transfer in Thin Film Photovoltaic Elements, Nano and Giga Challenges in Electronics, Photonics and Renewable Energy Symposium and Summer School, Moscow-Zelenograd, Russia, 2011

13 Уравнения обычной модели гетероструктурного ФЭП ; ;

14 Модель ФЭП на горячих электронах Два дополнительных уравнения: - средние плотности энергии электронов, дырок и решетки -средняя энергия, доставляемая фотоном электронному газу -число фотонов на единицу площади в единицу времени (Солнечный спектр), где

15 Высота барьеров имеет оптимум Влияние высоты барьера d на ВАХ ФЭП Влияние высоты барьера d на эффективность ФЭП

16 Спасибо за внимание