Яковкін Іван ІвановичЛедней, Михайло Федорович2025-05-192025-05-192025-05-15Яковкін 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.https://ir.library.knu.ua/handle/15071834/6467Дисертаційна 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.The dissertation is devoted to theoretical investigations of the possibility of controlling the optical and spectral properties of plasmonic nanostructures using nematic liquid crystals (NLC). The dissertation consists of an introduction, five original chapters, conclusions, a list of references, and an appendix. In the introduction, the relevance of the chosen research topic is highlighted. The goal is outlined, the object, tasks, and methods of research are formulated, and the connection of the work with scientific programs and the approbation of the results are indicated. In the first chapter, a review of modern literature sources devoted to the peculiarities of NLC is provided, and the areas of their practical application are outlined. The mechanisms of orientational transitions in NLC and the influence of bounding surfaces on the formation of orientational states of the director field are considered. A review of the properties of surface plasmon polaritons and Tamm plasmon polaritons in a system with a liquid crystal layer is presented. The main results of studies on localized plasmon oscillations in ordered arrays of nanoparticles dispersed in a nematic liquid crystal matrix are also provided. In the second chapter, the electric-field-induced orientational instability of the director in a planar flexoelectric nematic cell with a gliding easy axis on the bounding surface is studied theoretically. The gliding of the easy axis is caused by the reorientation of the elastic parts of the polymer substrate molecules, which results from the interaction with the electric field of their own or field-induced dipole moments. The contribution of such interaction to the surface free energy of the system is taken to be linear or quadratic in the magnitude of the electric field strength, respectively. It is established that the orientational instability of the director field is thresholdless when the electric field acts linearly with respect to its strength on the easy axis, and has a threshold when the action is quadratic. The threshold voltage increases with decreasing magnitude of the field-influence parameter, the sum of the flexoelectric coefficients, and with increasing values of the anchoring energy of the gliding easy axis with both the NLC and the substrate. It is found that the turn-on time of the system increases with increasing values of the viscosity and the sum of the flexoelectric coefficients of the NLC. The turn-off time increases with increasing viscosity and with decreasing values of the anchoring energy of the gliding easy axis with the NLC and the substrate. It is established that the threshold light-induced orientational instability of the director field in a planar nematic cell with a photosensitive substrate, which is irradiated by incident light through the NLC layer, can be periodic in time. The threshold intensity decreases with increasing cell thickness, with increasing anchoring energy of the NLC to the photosensitive substrate, and with decreasing magnitude of the interaction parameter of the photosensitive coating molecules. It is shown that once the intensity exceeds the threshold value, auto-oscillations of the director field between several stable twist configurations arise in the cell. The period of these auto-oscillations increases with decreasing values of the light-wave intensity, anchoring energy, interaction parameter of the photosensitive coating molecules, and diffusion coefficient, as well as with increasing viscosity of the NLC. An increase in the viscosity of the NLC, in the irradiation intensity, in the interaction parameter of the photosensitive coating molecules, and a decrease in the diffusion coefficient lead to an increase in the number of twist configurations between which the auto-oscillations occur. In the fourth chapter, the control of Tamm-plasmon resonances and laser generation in a hybrid nanostructure composed of metal – NLC – dielectric Bragg mirror using NLC is investigated. The influence of the orientation of the NLC layer on the reflection, transmission, and absorption spectra of the incident light is analyzed. The dependence of the spectral position and the magnitude of the dips/peaks corresponding to the excitation of Tamm plasmon polaritons, as well as the light field amplification coefficient in the NLC layer in the Bragg mirror band gap, on the thickness and orientation of the NLC layer and on the presence of absorbing dye impurities in its volume is studied. Under the condition of population inversion in the NLC medium doped with a light-absorbing dye, the features of laser generation in the metal – NLC – dielectric Bragg mirror system are investigated. The time dependences of luminescence pulses for different pump pulse powers – namely, below, above, and near the laser generation threshold – as well as for different values of light absorption in the NLC medium are calculated. In the fifth chapter, the influence of the orientation of the NLC director field on the absorption spectra of self-assembled two-dimensional arrays of spherical gold and silver nanoparticles and of a Yagi-Uda microantenna array is investigated theoretically. It is established that for arrays of gold and silver nanoparticles, the reorientation of the NLC director from the homeotropic state to a planar state in the plane containing the polarization vector of the incident light increases the resonance wavelength of the incident light by about 100 nm, and in the plane perpendicular to the polarization vector by about 40 nm. It is shown that the maximum value of the electric field intensity enhancement coefficient in the near field of incident light is about 18 for gold particles and about 40 for silver particles. It is demonstrated that the electric-field-induced reorientation of the director from the twist state to the homeotropic state makes it possible to change the reflection and absorption coefficients of the Yagi-Uda microantenna array from 60 to 90% in the spectral range from 7 to 12 THz.ukРідкий кристалнематикнаночастинкиповерхневий плазмонлазерна генераціясамовпорядковані структурифазовий перехіддифракція Бреггаметаматеріалдиректорфлексополяризаціяорієнтаційна нестійкістьгістерезис орієнтаційного переходуфотоорієнтуванняперехід Фредерікса.liquid crystalnematicnanoparticlessurface plasmonlaser generationself-assembled structuresphase transitionBragg diffractionmetamaterialdirectorflexopolarizationorientational instabilityhysteresis of the orientational transitionphotoorientationFréedericksz transitionДисертація