Computational modeling of quantum aspects in plasmonic nanostructures

Tutkimustuotos

Tutkijat

Organisaatiot

Kuvaus

Valon vuorovaikutus metallinanohiukkasten kanssa määräytyy metallin vapaiden elektronien ominaisuuksista. Nanohiukkaseen kohdistettu valo saattaa rakenteen elektronit voimakkaaseen kollektiiviseen värähtelyyn muodostaen niin kutsutun paikallisen pintaplasmonin. Hiukkasen koko, muoto ja koostumus sekä sitä ympäröivä muu aine vaikuttavat tämän plasmonivärähtelyn ominaistaajuuteen ja voimakkuuteen. Tällaisia plasmonien ominaisuuksia voidaan hyödyntää nanoteknologian sovelluksissa kuten auringonvalon energian kohdentamisessa, spektroskopisissa havaintolaitteissa ja lääketieteen menetelmissä. Nanoteknologian sovelluksiin kehitetään yhä pienempiä rakenteita. Plasmonin muodostavia vapaaelektronivärähtelyjä voidaan mallintaa klassisesti noin kymmenen nanometrin kokoisiin rakenteisiin asti, mutta sitä pienemmissä nanohiukkasissa elektronien kvanttimekaaninen luonne sekä hiukkasen tarkka atomirakenne alkavat vaikuttaa kokonaisuuden ominaisuuksiin. Tässä väitöskirjassa tutkitaan tällaisten pienten nanohiukkasten ja nanorakenteiden plasmonivärähtelyjen ominaisuuksia. Väitöskirjatyössä nanorakenteiden muotoa mallinnetaan yksittäisten atomien tarkkuudella ja elektronien kytkeytymistä ja liikettä kuvataan kvanttimekaanisella ajasta riippuvalla tiheysfunktionaaliteorialla. Työssä on kehitetty laskennallisia menetelmiä ja analyysityökaluja, joilla voidaan tutkia nanorakenteiden plasmonivastetta lähtien yksittäisistä atomeista ja molekyyleistä aina useiden nanometrien kokoisiin rakenteisiin asti sekä ymmärtää plasmonien kvanttimekaanista luonnetta. Kehitettyjä menetelmiä on sovellettu metallinanohiukkasten ja MoS2-nanohiutaleiden plasmonivasteiden tutkimiseen. Tulokset havainnollistavat plasmonivärähtelyn muodostumista ja koostumusta nanohiukkasissa sekä MoS2-nanohiutaleen reunaan sidottujen elektronivärähtelyjen vaikutusta rakenteen optisiin ominaisuuksiin. Väitöskirjassa esitetään myös tuloksia elektronien kvanttimekaanisen luonteen vaikutuksesta plasmonivasteeseen. Elektronitilojen kvantittuminen näkyy laskelmissa sekä yksittäisten erittäin pienten metallinanohiukkasten vasteessa että kvantittuneena elektronien liikkeenä toisiaan koskettavien nanohiukkasten välillä. Tiivistäen voi todeta, että väitöskirjatyössä on kehitetty menetelmiä nanoplasmoniikan mallintamiseen ja analysoimiseen, sovellettu näitä menetelmiä eri nanorakenteisiin ja tutkittu kvantti-ilmiöiden vaikutuksia plasmonien ominaisuuksiin.

Yksityiskohdat

AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
Valvoja/neuvonantaja
Kustantaja
  • Aalto University
Painoksen ISBN978-952-60-7587-7
Sähköinen ISBN978-952-60-7586-0
TilaJulkaistu - 2017
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

    Tutkimusalat

  • nanoplasmoniikka, paikallinen pintaplasmoni, nanohiukkaset, elektronirakennelaskut, ajasta riippuva tiheysfunktionaaliteoria

ID: 17675112