Національна АКадемія Наук України

Інститут хімії поверхні

Давидова Ольга Олександрівна

УДК 538.3:535.34

Оптичні властивості КОМПОЗИТІВ

НА ОСНОВІ нелінійних діелектрикІВ ТА металІВ

01.04.18 – фізика і хімія поверхні

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ 2002

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Інституті хімії поверхні Національної академії наук України.

Науковий керівник: доктор фізико–математичних наук

Гречко Леонід Григорович,

Інститут хімії поверхні НАН України,

провідний науковий співробітник.

Офіційні опоненти: доктор фізико–математичних наук, професор

Репецький Станіслав Петрович,

Київський національний університет

імені Тараса Шевченка,

професор кафедри радіаційної фізики;

доктор фізико–математичних наук

Федорус Олексій Григорович,

Інститут фізики НАН України,

провідний науковий співробітник.

Провідна установа: Інститут фізики напівпровідників НАН України.

Захист відбудеться “ 24 “ жовтня 2002 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.210.01 в Інституті хімії поверхні НАН України за адресою:

03680, Київ 164, вул. Генерала Наумова, 17.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту хімії поверхні НАН України (03680, Київ 164, вул. Генерала Наумова, 17).

Автореферат розіслано “ 23 ” вересня 2002 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Приходько Г.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розробка композитних матеріалів та систем з наперед заданими нелінійними оптичними властивостями та високим порогом оптичних пошкоджень стимулюється необхідністю створення нових функціональних елементів для оптоелектроніки та інтегральної оптики. Особливо це актуально при розробці оптичних процесорів та пристроїв для зберігання, обробки та передачі інформації. Одним з методів розв’язку такої проблеми є конструювання композитів на основі нелінійних діелектриків та металів (КНДМ), які мають певну структурну топологію (мікрогеометрію). Зауважимо, що такі матеріали є, як правило, однорідними в масштабах порядку оптичної довжини хвилі, що дозволяє описувати їх властивості за допомогою ефективних лінійних та нелінійних оптичних характеристик.

Проектування КНДМ передбачає, в першу чергу, досягнення вищих значень нелінійностей, ніж власні нелінійності складових композиту. На відміну від інших підходів, у даному випадку головним фактором, що сприяє підсиленню значень нелінійностей в композиті, є фактор локального поля. Оскільки предметом нашого розгляду є переважно ізотропні композити, то головну увагу ми приділяємо кубічній нелінійній сприйнятливості . Зауважимо, що знання тензору дозволяє аналізувати велику кількість різноманітних нелінійно-оптичних ефектів 3-го порядку. Наявність нелінійності призводить до того, що в більшості випадків локальне поле в нелінійних фракціях композиту знаходиться з кубічного рівняння. Останнє, в свою чергу, призводить до виникнення в таких композитах, в певних інтервалах зміни параметрів системи, власної оптичної бістабільності (ВОБ, або, за міжнародною класифікацією, ІОВ).

При знаходженні ефективної нелінійної сприйнятливості КНДМ ми обмежуємося в основному аналізом ролі фактору локального поля. Тут актуальним є питання про те, які мікрогеометрії дозволяють досягти максимального підсилення оптичних нелінійностей в таких системах. Відмітимо, що наявність включень металічної фракції в композитах є необхідною умовою, оскільки це призводить до резонансного поглинання в них електромагнітного випромінювання на поверхневих модах Фрьоліха , що відповідають частотам поверхневих мод включень. Кількість частот та їх величини сильно залежать від форми включень. Оскільки діелектрична проникність нелінійної компоненти залежить від інтенсивності локального поля в діелектричному включенні (а з ним і від інтенсивності зовнішнього поля ), то, змінюючи величину зовнішнього поля , можна змінювати поглинаючі та розсіюючі властивості КНДМ.

В цьому аспекті важливим є детальне теоретичне дослідження нелінійних оптичних явищ в КНДМ з метою встановлення оптимальної структури КНДМ для їх подальшого практичного застосування.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано згідно з планами наукових досліджень Інституту хімії поверхні НАН України, зокрема за темами “Розробка і дослідження фізико-хімічних властивостей наноструктурних кластерів, плівок і композитів” (держ. реєстраційний № 0196UО13072, 1996-1998), “Хімічна фізика поверхні розділу нанорозмірних гетерогенних кластерно-зібраних систем” (1999-2001) та ін.

Мета роботи полягає в розробці теоретичних методів розрахунку нелінійних оптичних характеристик КНДМ та дослідженні процесів взаємодії електромагнітного випромінювання з такими композитами.

Задачі роботи :

- розробка загальної теорії обчислення ефективної нелінійної діелектричної проникності (ДП) дисперсних систем, однією з фракцій яких є нелінійний діелектрик, ДП якого залежить від локального поля;

- дослідження ефекту підсилення локального поля в композитах на основі нелінійного діелектрика та металу за рахунок поверхневих плазмонів у включеннях металевої фракції;

- дослідження умов виникнення та розрахунок границь існування власної оптичної бістабільності (ВОБ) в найбільш важливих типах КНДМ з точки зору їх практичного використання;

- розрахунок оптичних характеристик (пропускання та відбивання) тонких плівок на основі КНДМ з врахуванням впливу зовнішнього поля на їх ефективну нелінійну діелектричну проникність () та ефективну нелінійну сприйнятливість .

Основним об’єктом дослідження були: окремі частинки еліпсоїдальної форми із нелінійною (за полем) діелектричною функцією, плоскі шаруваті структури та матричні дисперсні системи з двошаровими включеннями сферичної та еліпсоідальної форми (ядро – нелінійний діелектрик, оболонка – метал).

Наукова новизна роботи полягає в тому, що вперше:

1. Розроблено теорію розрахунку для матричних дисперсних систем на основі КНДМ з двошаровими включеннями сферичної та еліпсоїдальної форми (ядро – нелінійний діелектрик, оболонка – метал) та запропоновано варіаційний метод розв’язку рівняння Лапласа для неоднорідних нелінійних середовищ, для яких неможливо отримати аналітичний розв’язок (сферичні металеві включення в нелінійному діелектрику).

2. Теоретично досліджено умови виникнення та розраховано границі існування ВОБ в системах, що досліджувалися. Детально вивчено характер ВОБ в залежності від інтенсивності зовнішнього поля та його частоти.

3. Показано, що:

- в розглянутих КНДМ власна оптична бістабільність виникає лише в областях існування в них поверхневих плазмонів;

- обумовлені електронами процеси загасання в металевих фракціях значно звужують границі існування ВОБ в таких системах;

- зміна інших параметрів КНДМ (ступінь заповнення, фактор деполяризації для еліпсоїдальних частинок та інші) сильно впливає на характер ВОБ в них.

4. Розраховано частотні залежності ефективної нелінійної сприйнятливості третього порядку () для КНДМ і показано, що у випадку з двошаровими включеннями (ядро – нелінійний діелектрик з , оболонка – срібло) при ступені заповнення матриці включеннями величина може сягати значень .

5. Розраховано зміну величини коефіцієнта пропускання тонких (~1 мкм) плівок на основі КНДМ в залежності від прикладеного до них додаткового постійного потенціалу (~10 В) і показано, що величина може при деякій структурі плівок досягати значень (при за відсутності потенціалу).

Практичне значення отриманих результатів. Результати теоретичних досліджень, одержаних в дисертаційній роботі, можуть бути основою конструювання композиційних матеріалів із наперед заданими нелінійними характеристиками (наприклад, з потрібною нелінійною сприйнятливістю третього порядку). Розраховані умови виникнення та знайдені границі існування ВОБ дозволяють пояснити як особливості поглинання та розсіювання електромагнітного випромінювання такими системами, так і вказати можливості використання цього явища в оптоелектроніці та інтегральній оптиці. Особливо слід відзначити практичне значення явища просвітлення в тонких плівках на основі КНДМ. Такі плівки можуть застосовуватися в системах керування електромагнітним випромінюванням за допомогою слабких постійних електричних полів: дисплеях нового покоління, системах селекції та фільтрації випромінювання, тощо.

Особистий внесок здобувача. Всі чисельні розрахунки та аналіз більшості отриманих результатів одержані безпосередньо автором. В оригінальних публікаціях, які складають основу дисертаційної роботи, внесок автора полягав в постановці проблем роботи (разом з науковим керівником), виборі об’єктів та методів дослідження, проведенні чисельних розрахунків на ЕОМ, аналізі отриманих результатів та формуванні висновків. Постановка задачі, вибір об’єктів і методів досліджень, інтерпретація результатів досліджень та їх узагальнення здійснено дисертантом спільно з науковим керівником д. ф.-м. н. Л.Г. Гречко, та, частково, з д. ф.-м. н. В.М. Мальнєвим.

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали, що викладені в дисертації, доповідались і обговорювались на міжнародних конференціях: Optical diagnosis of materials and devices for opto-, micro-, and quantum electronics (13-15 May, 1997, Kiev), Material Science for infrared optoelectronics (29 September–2 October, 1998, Kiev), Problems of interaction of radiation with matter (25-27 September, 2001, Homel), на Першій всеросійській конференції з хімії поверхні та нанотехнологій (27 вересня – 1 жовтня 1999, Санкт-Петербург – Хілово), на щорічних наукових конференціях Інституту хімії поверхні (1999, 2000, 2001, Київ).

Публікації за матеріалами дисертації. Основний зміст дисертації опубліковано в 2 статтях в трудах міжнародних конференцій, в 5 статтях в наукових фахових журналах та в тезах однієї доповіді на міжнародній конференції. Список публікацій наведено після викладення змісту роботи.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел із 122 найменувань; містить 15 ілюстрацій. Дисертацію викладено на 147 сторінках друкованого тексту.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та задачі досліджень, викладено наукову новизну та практичне значення результатів, описано особистий внесок автора і зв’язок дисертаційної роботи з науковими програмами ІХП НАНУ.

В першому розділі розглянуто ряд найбільш відомих теоретичних методів розрахунку нелінійних ефективних електродинамічних параметрів (ефективної діелектричної проникності, провідності та інших) композитів на основі нелінійних діелектриків та металів (КНДМ) та приведено ряд оригінальних результатів.

Нелінійна ефективна діелектрична проникність досліджуваних композитів є дуже чутливою до їх мікроструктури і залежить як від діелектричної проникності металічної фракції , так і від нелінійної діелектричної проникності діелектрика ( є локальне електричне поле в діелектрику, а – нелінійна сприйнятливість третього порядку). Величина залежить також від відносних об’ємних часток , та фракцій металу, діелектрика та зв’язуючої речовини відповідно ().

Більшість розглянутих в першому розділі методів розрахунку нелінійних композитів базується на теорії збурень, де малим параметром є величина . Одним із методів є прямий розв’язок рівняння Лапласа для електростатичного потенціалу у вигляді рядів за параметром як в області нелінійного діелектрика, так і в областях металічної фракції та зв’язуючого. Незважаючи на загальність цього методу, одним із його недоліків є громіздкість розрахунків та отриманих результатів.

Другим методом, що широко використовується для розрахунку КНДМ, є метод, запропонований вперше Д. Строудом. Суть його полягає в тому, що при відомому співвідношенні для розрахунку композита в лінійному наближенні (нульовий порядок теорії збурень)

, (1)

знаходиться із співвідношення

, (2)

де – зовнішнє поле, – ефективна нелінійна сприйнятливість КНДМ, – кількість фракцій включень нелінійного діелектрика, а . Проведений нами аналіз показує, що цей метод можна застосовувати лише у випадку, коли локальне поле у включеннях нелінійного діелектрика є однорідним. Це зауваження значно обмежує клас систем, для яких можна застосувати цей метод розрахунку . В цьому розділі також наведено результати розрахунку для деяких конкретних КНДМ в наближеннях Максвела (формула (2)), Максвел-Гарнетта та Бруггемана.

В другому розділі проведено детальне вивчення оптичних властивостей (ефект локального поля, оптична бістабільність, тощо) еліпсоїдальної частинки, яка розміщена в просторі таким чином, що її велика піввісь паралельна зовнішньому електричному полю , причому (електростатичне наближення). Діелектрична функція (ДФ) частинки

, (4)

а ДФ оточення . Відмітимо, що нелінійна сприйнятність третього порядку в загальному випадку є комплексною. В електростатичному наближенні локальне поле є однорідним і пов’язане з зовнішнім полем

В третьому розділі роботи досліджено оптичні властивості плоских багатошарових структур на основі КНДМ. Розглядається система, яка складається із послідовних плоских шарів металу і нелінійного діелектрика. В цьому випадку ефективна ДФ композиту і локальне поле в i-му шарі даються виразами

, , (15)

де , – товщина i-го шару , – загальна товщина системи, – напруженість зовнішнього електричного поля. Детальний аналіз оптичних властивостей таких систем було проведено для двошарової системи: перший шар – нелінійний діелектрик з (товщина ), другий шар – метал з ДФ (товщина ).

В четвертому розділі роботи проведено дослідження оптичних властивостей КНДМ на основі матричних дисперсних систем з двошаровими включеннями сферичної і еліпсоїдальної форми, коли ядром включення є нелінійний діелектрик Керрівського типу, оболонкою є метал, а матриця має постійну ДФ (діелектрична функція ядра є , оболонки – ). Наведемо тут результати досліджень лише для МДС із двошаровими сферичними включеннями. Результати для МДС із двошаровими еліпсоїдальними включеннями є аналогічними, хоча і мають більш складну форму (деталі наведені в дисертаційній роботі).

Оптичні властивості матричних дисперсних систем (МДС) із двошаровими сферичними включеннями повністю визначаються величиною їх ефективної діелектричної проникності , яка може бути розрахована за відомими формулами типу Максвел-Гарнетта (МГ) або Бруггемана, якщо відома величина . Для знаходження величини потрібно розв’язати відповідне кубічне рівняння.

Крім розрахунку оптичних характеристик МДС із двошаровими сферичними включеннями, в четвертому розділі проведені також розрахунки цих характеристик і для МДС із двошаровими еліпсоідальними частинками такого ж складу.

В кінці четвертого розділу розраховано проходження високочастотного електромагнітного випромінювання крізь тонкі плівки на основі КНДМ, до яких прикладене постійне електричне поле. Зокрема, було розглянуто ефект просвітлення тонких двошарових метал-діелектричних плівок при накладанні додаткового постійного електричного поля . При товщинах плівки композита ~1 мкм величина додаткового поля ( _потенціал на плівці) може бути значно більшою за поле падаючої хвилі , тому воно стає визначальним при знаходженні . Змінюючи величину Е (а з ним і величину ), ми можемо змінювати коефіцієнти пропускання та відбивання плівкою падаючої хвилі. Так, при значеннях параметрів , , , , , , та Е~105 В/м із розрахунків випливає, що коефіцієнт пропускання сягає величини ~40%, в той час як при Е=0 він становить лише 5%. Тут же показано, що величина Т для тонких плівок на основі МДС із двошаровими еліпсоідальними включеннями (ядро – нелінійний діелектрик, оболонка – метал) при ступенях заповнення р10% досягає значень Т70%. При цих розрахунках використано ті ж значення електродинамічних характеристик композиту, що і для КНДМ з плоскошаруватою структурою.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1. Проведено детальний аналіз теоретичних методів розрахунку ефективних діелектричних параметрів (діелектрична функція та нелінійна сприйнятливість ) композитів на основі нелінійних діелектриків та металів (КНДМ). Розглянуто ефективність цих методів та визначено область їх застосування.

2. Запропоновано теорію для розрахунку нелінійної ефективної діелектричної проникності матричних дисперсних систем з двошаровими сферичними та еліпсоїдальними включеннями, ядром яких є нелінійний діелектрик Керрівського типу, а оболонкою – метал. Розроблена теорія може бути узагальнена на більш складні КНДМ.

3. Запропоновано чисельно-аналітичні методи розрахунку коефіцієнта підсилення локального електричного поля та величини ефективної нелінійної сприйнятливості в КНДМ за рахунок поглинання електромагнітного випромінювання поверхневими плазмонами, які виникають на границях метал-діелектрик, метал-нелінійний діелектрик. Проведено відповідні оцінки для ряду конкретних КНДМ і показано, що відношення може сягати значень ( – нелінійна сприйнятливість включень нелінійного діелектрика в композиті).

4. Розроблено чисельно-аналітичний метод аналізу умов виникнення власної оптичної бістабільності (ВОБ) в системах: еліпсоїдальна частинка із залежною від поля діелектричною функцією, плоска шарувата структура нелінійного діелектрика та металу, двошарові кульові та еліпсоїдальні частинки (ядро – нелінійний діелектрик, оболонка – метал) та матричні системи на їх основі. Основу цього методу складає розроблений нами алгоритм знаходження положення коренів кубічного рівняння з дійсними коефіцієнтами на комплексній площині.

5. Для цих систем на площині ( _напруженість зовнішнього поля, ) розраховано області існування ВОБ та з’ясовано вплив зовнішнього поля на величину цих областей. Знайдено критичні значення , при яких у КНДМ виникає ВОБ.

6. Показано, що ВОБ існує лише в області частот, де існують поверхневі плазмони в аналогічних КНДМ, а різноманітні процеси загасання в КНДМ сильно звужують області існування ВОБ і при деяких критичних значеннях зовсім гасять бістабільність.

7. Досліджено вплив зовнішнього постійного електричного поля (~10 В), прикладеного до тонких плівок (~1 мкм) КНДМ, на їх оптичні властивості, зокрема на проходження та розсіювання світла такими плівками. Показано, що при певній структурі плівок можна досягти значного збільшення (до 70%) величини коефіцієнта пропускання Т світла, при 5% значенні Т за відсутності зовнішнього поля. Розглянуті системи можуть знайти широке застосування при створенні дисплеїв нового покоління.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. L.G. Grechko, O.A. Davydova, V.N. Malnev. Adjust of Optical Properties of Nonlinear Composites by External Electrical Field. //Proc. SPIE, - 1997, - V.3359, P. 157-162.

2. L.G. Grechko, O.A. Davydova, and V.V.Malnev. Dielectric function of nonlinear metal composite with double layer ellipsoid inclusions. // Proc. SPIE, -1998, - V. 3890, P. 400-407.

3. О.А. Бурий, Л.Г. Гречко, О.О. Давидова, В.М. Мальнєв. Оптичні властивості нелінійних металокомпозитів з двошаровими включеннями. // УФЖ, - 2000, - т. 45, №6, C. .

4. Л.Г. Гречко, О.О. Давидова, В.В. Бойко. Ефективна діелектрична проникність нелінійного металокомпозита з двошаровими включеннями еліпсоїдальної форми. // Фізика конденсованих високомолекулярних систем: Наукові записи Рівненського державного гуманітарного університету, -1999, - Вип. 7, C. 29-31.

5. L.G. Grechko, O.A. Davydova, V.N. Malnev, and K.W. Whites. On the problem of optical bistability of nonlinear composites with coated inclusions. // Chemistry, physic and technology of surface, - 2001, - issues 4-6, P. 168- 178.

6. Л.Г. Гречко, Ю.С. Гончарук, О.А. Давыдова, А.А. Шустов. Электродинамические свойства тонких пленок на основе нелинейных металлокомпозитов. // Химия, физика и технология поверхности, - 2002, - Т. 3, С. 71-77.

7. L.G. Grechko, O.A. Davydova, V.M. Ogenko and N.G. Shkoda. Non-Linear Bistability of a Small Metallic Particle in Alternating Electric Field. // Радиофизика и радиоастрономия, - 2001, - Т.6, №4, С. 143-150.

8. V.N. Malnev, O.A. Buryi, L.G. Grechko, O.A. Davydova and K.W. Whites. Influence of external electric field on optical properties of thin films of nonlinear metal composite. // Problems of interaction of radiation with matter, - Homel State University, September 2001. – Abstracts. P. 92-93.

АНОТАЦІЯ

Давидова О.О. Оптичні властивості композитів на основі нелінійних діелектриків та металів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.18 – фізика і хімія поверхні. Інститут хімії поверхні НАН України, Київ, 2002.

В дисертаційній роботі проведено теоретичне вивчення процесів взаємодії світла з композитами на основі нелінійних діелектриків та металів (КНДМ). Досліджено плоскі шаруваті структури та матричні дисперсні системи з двошаровими включеннями сферичної та еліпсоїдальної форми, причому ядром включення є нелінійний діелектрик з кубічною нелінійністю, оболонкою – метал, а матрицею – лінійний діелектрик без поглинання. З використанням загальних методів електродинаміки неоднорідних середовищ нами розроблено методи розрахунку нелінійної ефективної діелектричної проникності та ефективної нелінійної сприйнятності наведених систем. Детально вивчено ефект підсилення локального поля та нелінійної добавки в за рахунок резонансного поглинання світла поверхневими плазмонами систем. Виконано розрахунок пропускаючих та розсіюючих властивостей тонких (~ 1мкм) плівок на основі КНДМ при підключенні їх до постійного потенціалу (~10 В). Максимальне значення коефіцієнта пропускання Т для деяких плівок може досягати значення ~ 70 % при Т = 5% у відсутності постійного поля. Особливо детально проаналізовано власну оптичну бістабільность (ВОБ) в КНДМ. Для всіх систем, що вивчаються в роботі, досліджено умови виникнення ВОБ, проведено чисельні розрахунки області існування ВОБ.

Показано, що ВОБ виникає лише в області частот, де існують поверхневі плазмони в системі. Досліджено вплив процесів загасання в КНДМ, форми включень і ступеня заповнення як на характер виникнення ВОБ в КНДМ, так і на границі існування бістабільності.

Ключові слова: дисперсні системи, нелінійні метал-діелектричні композити, ефективна діелектрична проникність, нелінійна сприйнятливість, локальне поле, власна оптична бістабільність.

АННОТАЦИЯ

Давыдова О.О. Оптические свойства композитов на основе нелинейных диэлектриков и металлов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.18 – физика и химия поверхности. Институт химии поверхности НАН Украины, Киев, 2002.

В диссертационной работе теоретически исследованы процессы взаимодействия света с композитами на основе нелинейных диэлектриков и металлов (КНДМ).

Исследованы следующие КНДМ: эллипсоидальные частицы с диэлектрической функцией (ДФ), зависящей от внешнего поля; слоистые структуры и матричные дисперсные системы с двухслойными сферическими и эллипсоидальными включениями, в которых ядром является нелинейный диэлектрик с кубической нелинейностью, оболочкой _металл, а связующая матрица есть линейный диэлектрик без поглощения. Наличие металла в таких системах является необходимым условием, поскольку в них возможно возникновение на границах раздела поверхностных плазмонов, на частотах которых возможно поглощение излучения внешнего поля. Это приводит к значительному усилению локального поля как в металле, так и в нелинейном диэлектрике. Благодаря усилению локального поля в нелинейном диэлектрике происходит значительное возрастание эффективной нелинейной восприимчивости КНДМ.

С использованием общих методов электродинамики неоднородных сред в работе разработаны методы расчета эффективной нелинейной диэлектрической проницаемости и эффективной нелинейной восприимчивости третьего порядка рассматриваемых выше систем. Детально изучена зависимость эффекта усиления локального поля и нелинейной добавки к за счет резонансного поглощения света поверхностными плазмонами систем. Численные оценки показывают, что величина ( – нелинейная восприимчивость нелинейного диэлектрика) в ряде случаев может достигать величины порядка .

В работе проведены расчеты пропускания и рассеяния света тонкими слоями (~1 мкм) на основе КНДМ при подключении их к постоянному потенциалу ~10 В. Максимальные значения коэффициента пропускания Т для некоторых пленок могут достигать ~70% (при отсутствии потенциала Т~5%). Рассмотренные системы могут найти широкое применение при создании различных дисплеев нового поколения.

Особенно детально проведен анализ характера зависимости собственной оптической бистабильности (СОБ) от параметров рассматриваемых КНДМ. Показано, что для всех систем, которые изучались в работе, СОБ существует лишь в области частот, где возникают поверхностные плазмоны в таких системах. На основе разработанного численно-аналитического метода проведено исследование расположения корней кубического уравнения, связывающего интенсивность локального поля в нелинейном диэлектрике (искомая величина) с интенсивностью внешнего поля. Проведено исследование границ существования и условий возникновения СОБ в КНДМ. Для этих систем на плоскости ( _напряженность внешнего поля, ) найдены области существования СОБ и определено влияние величины на границы этих областей. Найдены критические значения , при которых возникает СОБ. Из анализа полученных результатов следует, что различные процессы затухания в КНДМ сильно ограничивают области существования СОБ, а при некоторых значениях параметров КНДМ СОБ в них вообще исчезает.

Ключевые слова: дисперсные системы, композиты на основе нелинейных диэлектриков и металлов, эффективная диэлектрическая проницаемость, нелинейная восприимчивость третьего порядка, локальное поле, собственная оптическая бистабильность.

SUMMARY

Davydova O.O. Optical properties of composites based on nonlinear dielectrics and metals. – Manuscript.

Candidate of science dissertation.

Specialty 01.04.18 – Surface Physics and Chemistry.

Institute of Surface Chemistry of The NAN of Ukraine, Kyiv, 2002.

Theoretical study of light interaction with composites based on nonlinear dielectrics and metals (CNDM) is performed. It is investigated plane layered structures as well as matrix dispersed systems with spherical or ellipsoidal inclusions having two layers, the inclusion kernel being a nonlinear dielectric with the cubic nonlinearity while the matrix being a linear dielectric with no absorption. Methods for calculation the effective nonlinear both permittivity and permeability of the systems are developed by using general methods of the electrodynamics of non-homogeneous media. Effects of the resonance light absorption by the surface plasmons on amplification both the local field and the nonlinear addition to permittivity are studied in detail. Light transmission and scattering by thin (~1 µm) films on CNDM base under a constant potential (~10 V) are calculated. Maximum transmittance value for some types of films is shown to be approach 70%, with the value 5% under absence of the constant field. The internal optical bistability (IOB) in CNDM is analyzed in full. For all the systems it is studied the conditions of IOB rising as well as numerical calculations of the IOB region is carried out and the influence of the system parameters on the IOB character is analyzed. The IOB is shown to be rising only in that frequency region where the surface plasmons can exist. Finally, it is studied the influence of shape and filling factor of the inclusions on the IOB both rising and bounds.

Key words: dispersed systems, nonlinear dielectric-metal composites, effective permittivity, nonlinear permeability, local field, internal optical bistability.