Керування оптичними властивостями плазмонних наноструктур за допомогою нематичних рідких кристалів

Яковкін І. І. Керування оптичними властивостями плазмонних наноструктур за допомогою нематичних рідких кристалів : дис. … доктора філософії : 104 Фізика та астрономія / Яковкін Іван Іванович ; наук. кер. М. Ф. Ледней. Київ, 2025. 215 с.

Дисертаційна робота присвячена теоретичним дослідженням можливості керування оптичними та спектральними властивостями плазмонних наноструктур за допомогою нематичних рідких кристалів (НРК). Дисертація складається зі вступу, п’яти оригінальних розділів, висновків, списку використаних літературних джерел та додатку.
У вступі висвітлено актуальність обраної тематики дослідження. окреслено мету, сформульовано об’єкт, завдання та методи дослідження, а також зазначено зв’язок роботи з науковими програмами та апробацію результатів.
У першому розділі зроблено огляд сучасних літературних джерел, присвячених особливостям НРК, та окреслено сфери практичного застосування останніх. Розглянуто механізми орієнтаційних переходів у НРК та вплив обмежуючих поверхонь на формування орієнтаційних станів поля директора. Представлено огляд властивостей поверхневих плазмонних поляритонів і плазмон-поляритонів Тамма в системі з шаром рідкого кристалу. Також наведено основні результати досліджень локалізованих плазмонних коливань у впорядкованих масивах наночастинок диспергованих у нематичну рідкокристалічну матрицю.
У другому розділі теоретично досліджується електроіндукована орієнтаційна нестійкість директора в планарній флексоелектричній нематичній комірці з рухомою легкою віссю на обмежуючій поверхні. Проковзування легкої осі зумовлено переорієнтацією еластичних частин молекул полімерної підкладки, що є наслідком взаємодії з електричним полем їх власних або наведених останнім дипольних моментів. Внесок такої взаємодії у поверхневу вільну енергію системи вважається лінійним або квадратичним по величині напруженості електричного поля. Встановлено, що орієнтаційна нестійкість поля директора є безпороговою при лінійному за напруженістю впливі електричного поля на легку вісь, і пороговою при квадратичному. Порогова напруга збільшується зі зменшенням величин параметра впливу електричного поля, суми флексоелектричних коефіцієнтів та зі збільшенням значень енергій зчеплення рухомої легкої осі з НРК та підкладкою. Встановлено, що час ввімкнення системи збільшується при збільшенні величин в’язкості та суми флексоелектричних коефіцієнтів НРК. Час вимкнення – збільшується зі збільшенням величини в’язкості та зі зменшенням значень енергій зчеплення рухомої легкої осі з НРК та підкладкою.
Встановлено, що порогова світлоіндукована орієнтаційна нестійкість поля директора в планарній нематичній комірці з фоточутливою підкладкою, яка опромінюється падаючим світлом через шар НРК, може бути часово періодичною. Величина порогової інтенсивності зменшується зі збільшенням значень товщини комірки, енергії зчеплення НРК з фоточутливою підкладкою та зі зменшенням величини параметра взаємодії молекул фоточутливого покриття. Показано, що при перевищенні інтенсивністю порогового значення у комірці виникають автоколивання поля директора між кількома стійкими твіст конфігураціями. Період автоколивань збільшується зі зменшенням величин інтенсивності світлової хвилі, енергії зчеплення, параметра взаємодії молекул фоточутливого покриття та коефіцієнта дифузії та зі збільшенням величини в’язкості НРК. Збільшення величин в’язкості НРК, інтенсивності опромінення, параметра взаємодії молекул фоточутливого покриття та зменшення значення коефіцієнта дифузії призводять до збільшення кількості твіст конфігурацій між якими відбуваються автоколивання.
У третьому розділі розглядається електроіндукована орієнтаційна нестійкість гомеотропно орієнтованої комірки флексоелектричного НРК. Показано, що орієнтаційні переходи директора в зовнішньому електричному полі можуть мати до двох гістерезисів. За відсутності переднахилу директора на поверхні та флексоелектричних властивостей у НРК отримано аналітичні критерії існування гістерезисів. Досліджено вплив величин параметрів комірки НРК, зокрема флексоелектричної поляризації та переднахилу легкої осі, на кількість гістерезисів орієнтаційних переходів директора та значення параметрів областей їх існування. Теоретично досліджується вплив електричного поля на поширення поверхневого плазмонного поляритона у системі метал – полімер – НРК. Показано, що величина ефективного показника заломлення поверхневого плазмонного поляритона зростає зі збільшенням значення енергії зчеплення НРК з поверхнею і зі зменшенням величин напруги та довжини хвилі. Діапазон зміни величини ефективного показника заломлення розширюється при зменшенні значень переднахилу легкої осі, товщини полімерного шару та зі збільшенням величини оптичної анізотропії НРК.
У четвертому розділі досліджено керування Тамм-плазмонними резонансами та лазерною генерацією в гібридній наноструктурі метал – НРК – діелектричне дзеркало Брегга за допомогою НРК. Проаналізовано вплив орієнтування шару НРК на спектри відбиття, пропускання та поглинання падаючого світла. Досліджено залежність спектрального положення та величин провалів/піків збудження плазмон-поляритонів Тамма, а також величини коефіцієнта підсилення світлового поля в шарі НРК в області забороненої зони дзеркала Брегга у залежності від товщини та орієнтування шару НРК, наявності в об’ємі останнього домішок світлопоглинаючого барвника. За умови інверсної заселеності рівнів у середовищі НРК, легованому світлопоглинаючим барвником, досліджено особливості лазерної генерації в системі метал – НРК – діелектричне дзеркало Брегга. Розраховані часові залежності імпульсів люмінесценції для різної потужності імпульсів накачки, а саме, нижче, вище та поблизу порога лазерної генерації, та різних значень світлопоглинання в середовищі НРК.
У п’ятому розділі теоретично досліджено вплив орієнтування поля директора НРК на спектри поглинання самовпорядкованих двовимірних масивів сферичних золотих і срібних наночастинок та масиву мікроантен Ягі-Уда. Встановлено, що для масиву золотих та срібних наночастинок переорієнтація директора НРК з гомеотропного стану в планарний у площині, що містить вектор поляризації падаючого світла, збільшує резонансну довжину хвилі падаючого світла на величину близько 100 нм, а в площині перпендикулярній вектору поляризації – на 40 нм. Показано, що максимальне значення коефіцієнта підсилення напруженості електричного поля падаючого світла в ближній зоні складає близько 18 для золотих частинок, та близько 40 для срібних. Показано, що електроіндукована переорієнтація директора з твіст стану в гомеотропний дозволяє змінювати величини коефіцієнтів відбиття та поглинання масиву мікроантен Ягі-Уда в межах від 60 до 90 відсотків у спектральному діапазоні від 7 до 12 ТГц.
Ключові слова: рідкий кристал, нематик, наночастинки, поверхневий плазмон, лазерна генерація, самовпорядковані структури, фазовий перехід, дифракція Брегга, метаматеріал, директор, флексополяризація, орієнтаційна нестійкість, гістерезис орієнтаційного переходу, фотоорієнтування, перехід Фредерікса.