ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН С НАНОРАЗМЕРНЫМИ СФЕРАМИ И ПЛЕНКАМИ VO₂
В ОПТИЧЕСКОМ И МИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ

 

В.В. Коледов ¹, В.Г. Шавров ¹, Н.В. Шахмирзади ², Т. Пакизех ², А.П. Каманцев ¹, Д.С. Калёнов ¹, М.П. Пархоменко ¹, С.В. фон Гратовски ¹,

А.В. Иржак ^3,4, В.М. Сердюк ⁵, И.А. Титовицкий ⁵, A.A. Комлев ⁶, A.E. Комлев ⁶, Д.A. Кузьмин ⁷, И.В. Бычков ⁷

 

¹ Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, 125009, Москва, ул. Моховая, 11-7

²Факультет электротехники, Технологический университет К.Н. Тооси, 19697, Тегеран, Иран

³Национальный исследовательский технологиический университет МИСиС, 119049, Москва, Ленинский пр., 4

⁴Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН, 142432, Черноголовка Московской обл., ул. Акад. Осипьяна, 6

⁵Институт прикладных физических проблем, Белорусский государственный университет, 220045, Республика Беларусь, Минск, ул. Курчатова, 7

⁶Санкт-Петербургский электротехнический университет «ЛЭТИ», 197376, Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, 5

⁷Челябинский государственный университет, 454001, Челябинск, ул. Братьев Кашириных, 129

 

Статья поступила в редакцию 20 февраля 2018 г.

 

Аннотация. В последнее время взаимодействие электромагнитных волн (ЭМВ) с металлическими наночастицами и отверстиями в наноразмерных пленках, которые называются наноантеннами (НА) привлекает большой интерес. Обычные НА имеют фиксированные свойства, поэтому для их применений желательна возможность изменять их свойства. Одним из традиционных способов перестройки является использование материалов с фазовыми переходами (ФП). Диоксид ванадия VO₂ известен как материал с ФП, при котором его комплексная диэлектрическая постоянная резко изменяется. Этот материал является изолятором при комнатной температуре и становится металлом выше критической температуры (Tc=340 K). Как следствие, появились различные предложения о применении этого материала во многих областях. В настоящей работе пленка VO₂ была получена методом магнетронного напыления и ее отклик исследован в диапазоне миллиметровых волн (27-37 ГГц). Затем на пленках VO₂ были сформированы массивы субмикронных отверстий и исследованы их спектры оптического комбинационного рассеяния. Особое внимание уделено температурной зависимости электромагнитного отклика пленок, дырок и сфер. Изучение электромагнитных свойств наноразмерных пленок VO₂ выявило сильные аномалии в температурном диапазоне фазового перехода металл-диэлектрик (ФПМД). Субмикронные отверстия и массивы демонстрируют сильное изменение спектров комбинационного рассеяния на длине волны 530 нм за счет нагрева лазерным лучом. В заключении, теоретически изучаются оптические свойства однородных наносфер двуокиси ванадия в воздушной среде. Исследованы эффекты влияния размера сферы на их оптические свойства. Показано, что когда в наносферах VO₂ происходит ФПМД и они превращаются в металлическую фазу, плазмонный резонанс смещается в область низких частот (красное смещение). Оптические спектры наночастицы VO₂ намного шире, чем у наносфер серебра, что связано с локализованным электрическим полем в форме дипольной моды. Однако, плазмонным резонансом в VO₂ можно легко управлять термическим воздействием за счет ФПМД.

Ключевые слова: фазовый переход, VO₂, наноантенны, наносферы, наноотверстия, поверхностный плазмонный резонанс, спектр комбинационного рассеяния, миллиметровые волны.

Abstract. Recently the interaction effects of electromagnetic waves (EMW) with metallic nanoparticles and holes in nanosized films, called nano-antennas (NAs) attract great interest because of prospective applications in sensors technology.  The conventional NAs and nanoparticles have fixed functionality, therefore the tunability of these structures are desired. One of the conventional method to obtain tunability is exploiting phase transition (PT) materials. Vanadium dioxide (VO₂) is known as a PT material and its complex dielectric constant are varied by temperature due to structural transformation, accompanying metal-insulator transition (MIT). This material is an insulator at room temperature (RT) and becomes metal above a critical temperature (T_c=340 K). Hence, this material has emerged new applications in various fields. In this paper, VO₂ film on glass substrate were prepared and investigated in extremely high frequency (EHF) range (27–37 GHz). Then submicron holes arrays were formed on VO₂ films and their optical Raman spectra were studied. The special attention is paid on temperature dependence of the properties of films, holes and spheres. The study of EHF response of the nanosized VO₂ films reveals strong anomalies in the temperature range of metal-insulator transition. The submicron holes and arrays show strong change of the Raman spectra at the wavelength 530 nm due to heating by laser beam. Eventually, the optical properties of the homogeneous nonmagnetic VO₂ nanospheres embedded in the air are studied theoretically. The size effects on the optical properties of the VO₂ nanosphere are investigated and presented. In VO₂ nanosphere, converting into the metallic phase by heating leads to formation of a localized surface plasmon resonance (LSPR) which red shifts slightly by increasing dimension. The increment in the dimension of nanosphere in insulator case, results in the appearance of a peak in the visible wavelength most probably due to the excitation of combined electromagnetic modes. The optical spectra of VO₂ nanoparticle are much broader than that of silver nanosphere, which its associated localized electric field in form of dipolar mode is more intense than in VO₂ case. However, the LSPR of VO₂ can be thermally switched, making this material peculiar for recent advanced applications.

Keywords: phase transition, VO₂, nano-antenna, nano-spheres, nano-holes, surface plasmon resonance, Raman spectrum, extremely high frequency, optical frequency.

 

Для цитирования:

В.В.Коледов, В.Г.Шавров, Н.В.Шахмирзади, Т.Пакизех, А.П.Каманцев, Д.С.Калёнов, М.П.Пархоменко, С.В.фон Гратовски, А.В.Иржак, В.М.Сердюк, И.А.Титовицкий, A.A.Комлев, A.E.Комлев, Д.A.Кузьмин, И.В.Бычков. Взаимодействие электромагнитных волн с наноразмерными сферами и пленками VO₂ в оптическом и миллиметровом диапазоне. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2018. №2. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/feb18/13/text.pdf

DOI  10.30898/1684-1719.2018.2.13