УДК: 535.21, 538.971

Ионизация наночастиц сверхкороткими лазерными импульсами умеренной интенсивности

Груздев В.Е., Комолов В.Л., Пржибельский С.Г.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Груздев В.Е., Комолов В.Л., Пржибельский С.Г. Ионизация наночастиц сверхкороткими лазерными импульсами умеренной интенсивности // Оптический журнал. 2014. Т. 81. № 5. С. 35–42.

Gruzdev V.E., Komolov V.L., Przhibelskiy S.G. Ionization of nanoparticles by supershort moderate-intensity laser pulses [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2014. V. 81. № 5. P. 35–42.

Ссылка на англоязычную версию:

V. E. Gruzdev, V. L. Komolov, and S. G. Przhibel’skiĭ, "Ionization of nanoparticles by supershort moderate-intensity laser pulses," Journal of Optical Technology. 81(5), 256-261 (2014). https://doi.org/10.1364/JOT.81.000256

Аннотация:

Представлены результаты численного моделирования электронной эмиссии из металлических наночастиц под действием фемтосекундных лазерных импульсов с пиковой интенсивностью от десятых долей тераватта до десяти тераватт на квадратный сантиметр. В модели учтены эффекты возбуждения валентных электронов наночастицы за счет многофотонного поглощения, описываемого моделью Келдыша, и рост потенциала ионизации за счет генерации положительного заряда в наночастице при электронной эмиссии. Продемонстрирован переход от многофотонной ионизации к туннельной при росте интенсивности лазерного излучения, и показано, что модель Фаулера и ее модификации дают сильно заниженную оценку как пиковой скорости фотоэмиссии, так и полного эмиссионного тока.

Ключевые слова:

наночастицы, фотоэмиссия, фемтосекундные взаимодействия, многофотонный фотоэлектрический эффект

Благодарность:

Работа выполнена при государственной финансовой поддержке ведущих университетов Российской Федерации (субсидия 074-U01).

Коды OCIS: 320.2250

Список источников:

1. Yavuz M. S., Cheng Y., Chen J., Cobley C. M., Zhang Q., Rycenga M., Xie J., Kim Ch., Song K. H., Schwartz A. G., Wang L. V., Xia Y. Gold nanocages covered by smart polymers for controlled release with near-infrared light // Nature Materials. 2009. V. 8. P. 935–939.
2. Au L., Zheng D., Zhou F., Li Z.-Y., Li X., Xia Y. A Quantitative Study on the Photothermal Effect of Immuno Gold Nanocages Targeted to Breast Cancer Cells // ACS Nano. 2008. V. 2. No. 8. P. 1645–1652.
3. Cobley C. M., Au L., Chen J., Xia Y. Targeting Gold Nanocages to Cancer Cells for Photothermal Destruction and Drug Delivery // Expert. Opin. Drug Deliv. 2010. V. 7. No. 5. P. 577–587.
4. Skrabalak S. E., Chen J., Sun Yu., Lu X., Au L., Cobley L. M., Xia Y. Gold Nanocages: Synthesis, Properties, and Applications // Acc. Chem. Res. 2008. V. 41. No. 12. P. 1587–1595.
5. Krainov V. P., Smirnov M. B. The evolution of large clusters under the action of ultrashort superintense laser pulses // Physics – Uspekhi. 2000. V. 43. No. 3. P. 901–920.
6. Smirnov M. B., Krainov V. P. Ionization of cluster atoms in a strong laser field // Phys. Rev. A. 2004. V. 69. No. 4. 043201.
7. Saalmann U., Siedschlag Ch., Rost J. M. Mechanisms of cluster ionization in strong laser pulses // J. Phys. B: A. Mol. Opt. Phys. 2006. V. 39. P. R39–R77.
8. Fennel Th., Meiwes-Broer K.-H., Tiggesbaumker J., Reinhard P.-G., Dinh P. M., Suraud E. Laser-driven nonlinear cluster dynamics // Rev. Mod. Phys. 2010. V. 82. P. 1793–1842.
9. Hu M., Petrova H., Chen J., McLellan J. M., Siekkinen A. R., Marquez M., Li X., Xia Y., Hartland G. V. Ultrafast Laser Studies of the Photothermal Properties of Gold Nanocages // J. Phys. Chem. B. 2006. V. 110. No. 4. P. 1520–1524.
10. Tribelsky M. I., Miroshnichenko A. E., Kivshar Y. S., Luk’yanchuk B. S., Khokhlov A. R. Laser Pulse Heating of Spherical Metal Particles // Phys. Rev. X. 2011. V. 1. 021024.
11. Келдыш Л.В. Ионизация в поле сильной электромагнитной волны // ЖЭТФ. 1964. Т. 47. С. 1945–1957.
12. Делоне Н. Б., Крайнов В. П. Туннельная и надбарьерная ионизация атомов и ионов в поле лазерного излучения // УФН. 1998. Т. 168. № 5. С. 531–549.
13. Попов В. С. Туннельная и многофотонная ионизация атомов и ионов в сильном лазерном поле (теория Келдыша) // УФН. 2004. Т. 174. № 9. С. 921–951.
14. Dermota T. E., Zhong Q., Castleman, Jr. A. W. Ultrafast Dynamics in Cluster Systems // Chem. Rev. 2004. V. 104. P. 1861–1886.

15. Brack M. The physics of simple metal clusters: self-consistent jellium model and semiclassical approaches // Rev. Mod. Phys. 1993. V. 65. No. 3. P. 677–732.
16. Heer W. A. de. The physics of simple metal clusters: experimental aspects and simple models // Rev. Mod. Phys. 1993. V. 65. No. 3. P. 611–676.
17. Linford L. B. Recent Developments in the Study of the External Photoelectric Effect // Rev. Mod. Phys. 1933. V. 5. P. 34–61.
18. Анисимов С. И., Бендерский В. А., Фаркаш Д. Нелинейный фотоэлектрический эффект в металлах под действием лазерного излучения // УФН. 1977. Т. 122. Вып. 2. С. 185–222.
19. Fowler R. H., Nordheim L. W. Electron emission in intense electric field // Proc. Roy. Soc. 1928. V. 119. No. 781A. P. 173–181.
20. Forbes R. G., Dean H. B. Reformulation of the standard theory of Fowler-Nordheim tunneling and cold field electron emission // Proc. Roy. Soc. A 2007. V. 463. P. 2907–2927.
21. Komolov V. L., Gruzdev V. E., Przhibel’skiĭ S. G., Smirnov D. S. Dynamics of laser-induced damage of spherical nanoparticles by high-intensity ultrashort laser pulses // Opt. Eng. 2012. V. 51. No. 12. 121816.
22. Проценко И. Е., Усков А. В. Фотоэмиссия из металлических наночастиц // УФН. 2012. Т. 182. № 5. С. 543–554.
23. Ashcroft N. W., Mermin N. D. Solid State Physics. Orlando: Harcourt Brace College Publishers, 1976. 826 p.
24. Michaelson H. B. The work function of the elements and its periodicity // J. Appl. Phys. 1977. V. 48. No. 11. P. 4729–4733.
25. Skriver H. L., Rosengaard N. M. Surface energy and work function of elemental metals // Phys. Rev. B. 1992. V. 46. No. 11. P. 7157–7168.
26. Johnson P. B., Christy R. W. Optical Constants of the Noble Metals // Phys. Rev. B. 1972. V. 6. P. 4370–4379.
27. Kanter H. Slow-Electron Mean Free Paths in Aluminum, Silver, and Gold // Phys. Rev. B. 1970. v. 1. No. 2. P. 522–536.
28. Груздев В. Е. Анализ разработанной Л. В. Келдышем модели ионизации прозрачных кристаллов // Оптический журнал. 2004. Т. 71. № 8. С. 14–20. Gruzdev V. E. Analysis of the transparent-crystal ionization model developed by L. V. Keldysh // J. Opt. Technol. 2004. V. 71. No. 8. P. 504–508.
29. Stuart B. C., Feit M. D., Herman S., Rubenchik A. M., Shore B. W., Perry M. D. Nanosecond-to-femtosecond laser-induced breakdown in dielectrics // Phys. Rev. B. 1996. V. 53. No. 4. P. 1749–1761.