Dielectric Tensor of a rectangular arrangement of Ag-nanoparticles in anisotropic LiNbO_3 : Analysis of the negative epsilon conditions
Fecha
2020-03-15
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Editor
ELSEVIER
Resumen
En este artículo hemos analizado la respuesta óptica de un sistema ordenado de nanopartículas de plata (Ag NPs) embebidas en una matriz de un cristal uniaxial de LiNbO_3 como modelo de soporte para futuras dispositivos solares. El objetivo ha consistido en estudiar el efecto de la anisotropía del cristal envolvente sobre el tensor dieléctrico efectivo del conjunto Ag+LiNbO_3 teniendo en cuenta las interacciones entre las nanopartículas de Ag. Por ello, se han definido las funciones dieléctricas de Ag según el modelo de Drude mientras que las constantes dieléctricas de LiNbO_3 vienen definidas a través de sus expresiones experimentales de Sellmeier. Una vez determinadas las funciones dieléctricas, el conjunto de agregados de Ag y LiNbO_3 es tratado como un medio continuo a través del modelo extendido de Maxwell-Garnet. En el sistema simulado, las nanopartículas de Ag se sitúan en el plano ordinario del cristal de LiNbO_3 dando lugar a respuestas diferentes en las orientaciones X, Y, Z del campo eléctrico aplicado.
Con el diseño descrito anteriormente, se analizan las respuestas dieléctricas del conjunto de agregados de Ag + LiNBO_3 en función de los parámetros estructurales como son la fracción de volumen, el tamaño de nanopartículas y la distancia o espaciado entre nanopartículas, incluyendo en el modelo la interacción las nanopartículas a través de las partes reales e imaginarias de las funciones dieléctricas del sistema bajo investigación. Este trabajo ha demostrado que una adecuada selección de parámetros estructurales puede dar lugar a sistemas llamados “Negative epsilon metamaterials o Near-Zero epsilon materials” cuyas constantes dieléctricas o índices de refracción pueden alcanzar valores negativos más codiciados en los dispositivos optoelectrónicos en la actualidad. Utilizado como multicapas, el sistema estudiado abre camino a los diseños de muchos sistemas que pueden usarse en futuras aplicaciones como células fotovoltaicas. El trabajo concluye con una determinación de una franja de condiciones de tamaños, fracciones de volumen o de disposición óptimas para conseguir respuestas dieléctricas que respondan a materiales con constantes dieléctricas negativas a nivel de laboratorio
Descripción
Hemos investigado la respuesta óptica de un array rectangular de nanopartículas de plata (Ag) embebidas en el cristal uniaxial LiNbO3. Hemos estudiado los efectos anisotrópicos en el tensor dieléctrico efectivo teniendo en cuenta la interacción de las carga de las partículas. La función dieléctrica de las nanopartículas de Ag está descrita a través de un modelo de Drude modificado, mientras que las funciones dieléctricas del LiNbO3 son las ecs. de Sellmeier. Por tanto, las componentes del tensor dieléctrico efectivo del conjunto (nanopartículas de Ag depositadas en LiNbO3) se tratan en una aproximación de Maxwell-Garnett extendido. En concreto, las componentes del tensor dieléctrico se investigan en función de los parámetros estructurales, como el espaciado entre nanopartículas, el factor de llenado y el radio de las nanopartículas. Hemos demostrado que una elección adecuada de estos parámetros puede determinar las propiedades ópticas del sistema, además de obtener la condición de función dieléctrica negativa (NE). Esta condición define un intervalo de energías, denominado rango NE, que claramente depende de los valores de los parámetros estructurales. Este rango NE ha mostrado cierta anisotropía cuando se compara entre las componentes x, y, z y xy del tensor dieléctrico efectivo. También hemos analizado algunos rasgos de anisotropía como la anchura de banda y el desplazamiento de las resonancias de energía en las partes real e imaginaria del tensor dieléctrico cuando cambian los parámetros estructurales.
La clave metodologica ha consistido en extender la interacción de las cargas de particulas en un sistema rectangular y determinar la función dielectrica de las particulas embebidas en la matrix de LiNbO3. El tratamiento de las funciones dielectricas por modelos de Maxwell-Garnet para nanoparticulas por un lado y de las ecuaciones de Sellmeier para LiNbO3 por otro lado permite determinar la respuesta dielectrica del conjunto.
This work is partially supported by MICINN (Ministerio de Ciencia e Innovación, Sapin) under grant RTI 2018-101020-B-I00 and Comunidad de Madrid, Spain , under grant TECHNOFUSION III CM–S2018IEMAT–4437.
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