Dielectric Tensor of a rectangular arrangement of Ag-nanoparticles in anisotropic LiNbO_3 : Analysis of the negative epsilon conditions

Abstract

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