Люминесценция комплекса «квантовая точка — слоистая плазмонная наночастица» в магнитном поле

Кучеренко М.Г., Налбандян В.М., Чмерева Т.М.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Кучеренко М.Г., Налбандян В.М., Чмерева Т.М. Люминесценция комплекса «квантовая точка — слоистая плазмонная наночастица» в магнитном поле // Оптический журнал. 2021. Т. 88. № 9. С. 9–19. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2021-88-09-09-19

Kucherenko M.G., Nalbandyan V.M., Chmereva T.M. Luminescence of a complex composed of a quantum dot and a layered plasmon nanoparticle in a magnetic field [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2021. V. 88. № 9. P. 9–19. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2021-88-09-09-19

Ссылка на англоязычную версию:

M. G. Kucherenko, V. M. Nalbandyan, and T. M. Chmereva, "Luminescence of a complex composed of a quantum dot and a layered plasmon nanoparticle in a magnetic field," Journal of Optical Technology. 88(9), 489-496 (2021). https://doi.org/10.1364/JOT.88.000489

Аннотация:

Рассчитаны характеристики электрического поля внутри и вне электронно возбужденной квантовой точки. Показано, что потенциал электрического поля ведет себя по-разному при сильном и слабом конфайнменте электрон-дырочной пары. На основе специально созданной теоретической модели рассчитаны спектры люминесценции и скорости безызлучательной передачи энергии от экситон-активированной квантовой точки к слоистой наночастице во внешнем магнитном поле в зависимости от геометрических и поляризационных параметров системы, а также индукции магнитного поля. Рассмотрены два различных случая сочетания материалов ядра и оболочки композитной наночастицы — металл/диэлектрик и диэлектрик/металл. Показано, что замагниченность электронной плазмы металлической части нанокомпозита во внешнем магнитном поле приводит к изменению спектров люминесценции комплекса «квантовая точка — слоистая наночастица», выражающемуся в расщеплении полос плазмонного резонанса.

Ключевые слова:

квантовая точка, слоистая наночастица, экситон-плазмонное взаимодействие, спектр люминесценции, магнитное поле

Благодарность:

Авторы признательны Е.А. Пряхиной за помощь в проведении компьютерных расчетов.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках научного проекта № FSGU-2020-0003.

Коды OCIS: 260.3800, 250.5403, 260.5740

Список источников:

1. Bauch M., Toma K., Toma M., Zhang Q., Dostalek J. Plasmon-enhanced fluorescence biosensors: a Review // Plasmonics. 2014. V. 9. № 4. P. 781–799.
2. Cao E., Lin W., Sun M., Liang W., Song Y. Exciton-plasmon coupling interactions: From principle to applications // Nanophotonics. 2018. V. 7. № 1. P. 145–167.
3. Atwater H.A., Polman A. Plasmonics for improved photovoltaic devices // Materials for sustainable energy: A collection of peer-reviewed research and review articles from nature publishing group. 2011. P. 1–11.
4. Litvin A.P., Martynenko I.V., Purcell-Milton F., Baranov A.V., Fedorov A.V., Gun’ko Y.K. Colloidal quantum dots for optoelectronics // J. Materials Chem. A. 2017. V. 5. № 26. P. 13252––13275.
5. Yan S., Zhu X., Dong J., Ding Y., Xiao S. 2D materials integrated with metallic nanostructures: Fundamentals and optoelectronic applications // Nanophotonics. 2020. V. 9. № 7. P. 1877–1900.
6. Sun J., Hu H., Zheng D., Zhang D., Deng Q., Zhang S., Xu H. Light-emitting plexciton: Exploiting plasmon– exciton interaction in the intermediate coupling regime // ACS nano. 2018. V. 12. № 10. P. 10393–10402.
7. Antosiewicz T.J., Apell S.P., Shegai T. Plasmon–exciton interactions in a core–shell geometry: From enhanced absorption to strong coupling // Acs Photonics. 2014. V. 1. № 5. P. 454–463.
8. Bitton O., Gupta S.N., Haran G. Quantum dot plasmonics: From weak to strong coupling // Nanophotonics. 2019. V. 8. № 4. P. 559–575.
9. Fontaine N., Picard-Lafond A., Asselin J., & Boudreau D. Thinking outside the shell: Novel sensors designed from plasmon-enhanced fluorescent concentric nanoparticles // Analyst. 2020. V. 145. № 18. P. 5965–5980.
10. Guzatov D.V., Gaponenko S.V., Demir H.V. Colloidal photoluminescent refractive index nanosensor using plasmonic effects // Zeitschrift fur Physikalische Chemie. 2018. Bd. 232. № 9–11. S. 1431–1441.

11. Yang A., Odom T.W. Breakthroughs in photonics 2014: Advances in plasmonic nanolasers // IEEE Photonics J. 2015. V. 7. № 3. P. 1–6.
12. Azzam S.I., Kildishev A.V., Ma R.M., Ning C.Z., Oulton R., Shalaev V.M., Zhang X. Ten years of spasers and plasmonic nanolasers // Light: Science & Applications. 2020. V. 9. № 1. P. 1–21.
13. Kamalieva A.N., Toropov N.A., Vartanyan T.A. Spasers monolayer based on silver nanoparticles // Nanophotonics VII. Internat. Society for Optics and Photonics. 2018. V. 10672. P. 1067224.
14. Балыкин В.И. Плазмонный нанолазер: современное состояние и перспективы // УФН. 2018. Т. 188. № 9. С. 935–963.
15. Чмерева Т.М., Кучеренко М.Г., Кислов Д.А., Налбандян В.М. Плазмон-экситонное взаимодействие в планарных наноструктурах с квантовыми точками // Опт. спектр. 2018. Т. 125. № 11. С. 670–677.
16. Krivenkov V., Samokhvalov P., Nabiev I., Rakovich Y.P. Synergy of excitation enhancement and the Purcell effect for strong photoluminescence enhancement in a thin-film hybrid structure based on quantum dots and plasmon nanoparticles // J. Physical Chemistry Lett. 2020. V. 11. № 19. P. 8018–8025.
17. Чмерева Т.М., Кучеренко М.Г., Курмангалеев К.С. Плазмон-экситонное взаимодействие в слоистых наноструктурах с двумерными J-агрегатами // Опт. спектр. 2016. Т. 120. № 6. С. 941–947.
18. Rajput P., Shishodia M.S. Förster resonance energy transfer and molecular fluorescence near gain assisted refractory nitrides based plasmonic core-shell nanoparticle // Plasmonics. 2020. V. 15. № 6. P. 2081–2093.
19. Гузатов Д.В., Гапоненко С.В. Фотолюминесценция молекул вблизи металлических наночастиц с диэлектрической оболочкой // Доклады Национальной академии наук Беларуси. 2020. Т. 63. № 6. С. 689–694.
20. Кучеренко М.Г., Налбандян В.М. Люминесценция двухчастичного комплекса из сферической квантовой точки и плазмонной наноглобулы во внешнем магнитном поле // Опт. спектр. 2020. Т. 128. № 11. С. 1776–1783.
21. Кучеренко М.Г., Налбандян В.М. Спектры поляризуемостей замагниченных слоистых нанокомпозитов с анизотропной сердцевиной или оболочкой и локализованными поверхностными плазмонами // Оптический журнал. 2018. Т. 85. № 9. С. 3–11.
22. Кучеренко М.Г., Налбандян В.М. Спектры поляризуемости нанокластеров из двух композитных частиц во внешнем магнитном поле // Вестник Оренбургского государственного университета. 2015. Т. 188. № 13. С. 156–161.
23. Кучеренко М.Г., Налбандян В.М. Дипольные поляризуемости и сечения поглощения двухчастичных нанокластеров из проводящих однородных и слоистых частиц с вырожденным электронным газом // Известия вузов. Физика. 2016. Т. 59. № 9. С. 87–93.
24. Торопов Н.А., Гладских И.А., Гладских П.В., Косарев А.Н., Преображенский В.В., Путято М.А., Вартанян Т.А. Поглощение и фотолюминесценция эпитаксиальных квантовых точек в ближнем поле серебряных наноструктур // Оптический журнал. 2017. Т. 84. № 7. С. 37–40.
25. Матюшкин Л.Б., Перцова А., Мошников В.А. Усиление люминесценции квантовых точек вблизи слоя наночастиц Ag/SiO2 // Письма в ЖТФ. 2018. Т. 44. № 8. С. 35–41.
26. Muravitskaya A.O., Trotsiuk L.L., Kulakovich O.S., Gurinovich L.I., Gaponenko S.V., Antanovich A.V. Refractive index influence on the quantum dots fluorescence near the gold nanorods // Internat. J. Nanoscience. 2019. V. 18. № 03n04. P. 1940003.
27. Kucherenko M., Nalbandyan V. Absorption and spontaneous emission of light by molecules near metal nanoparticles in external magnetic field // Physics Procedia. 2015. V. 73. P. 136–142.
28. Ma Z.W., Zhang J.P., Wang X., Yu Y., Han J.B., Du G.H., Li L. Magnetic field induced great photoluminescence enhancement in an Er3+:YVO4 single crystal used for high magnetic field calibration // Opt. Lett. 2013. V. 38. № 19. P. 3754–3757.
29. Shikama T., Fujii K., Mizushiri K., Hasuo M., Kado S., Zushi H. Calculation of a magnetic field effect on emission spectra of light diatomic molecules for diagnostic application to fusion edge plasmas // Plasma Physics and Controlled Fusion. 2009. V. 51. № 12. P. 122001.
30. Briskina C.M., Tarasov A.P., Markushev V.M., Shiryaev M.A. Magnetic field influence on the intensity of ZnO random lasing and exciton luminescence // J. Nanophotonics. 2018. V. 12. № 4. P. 043506.
31. Брискина Ч.М., Тарасов А.П., Маркушев В.М., Ширяев М.А. Усиление краевого излучения наностержней ZnO в магнитном поле // ЖПС. 2018. Т. 85. № 6. C. 1018–1020.
32. Yu W.J., Sun H., Gao L. Optical bistability in core-shell magnetoplasmonic nanoparticles with magnetocontrollability // Opt. Exp. 2016. V. 24. № 19. Р. 22272–22281.

33. Агранович В.М., Баско Д.М. Резонансный перенос энергии от полупроводниковой квантовой точки к органической матрице // Письма в ЖЭТФ. 1999. Т. 69. № 3. С. 232–235.
34. Гинзбург В.Л. Рухадзе А.А. Волны в магнитоактивной плазме. М.: Наука, 1975. 256 с.
35. Кучеренко М.Г., Налбандян В.М. Модификация спектра дипольной электрической поляризуемости кластера из двух проводящих сферических наночастиц во внешнем магнитном поле // Вестник ОГУ. 2014. № 1(162). С. 118–126.
36. Климов В.В. Наноплазмоника М.: Физматлит, 2009. 480 c.
37. Kucherenko M.G., Nalbandyan V.M. Formation of the spectral contour width of nanoparticles plasmon resonance by electron scattering on phonons and a boundary surface // Eurasian Phys. Tech. J. 2018. V. 15. № 2(30). P. 39–37.