Самосогласованная модель усиления комбинационного рассеяния поляризованного света в азополимерной пленке с помощью плазмонной наноантенны

А.Р. Газизов^1,2, С.С. Харинцев^1,2, М.Х. Салахов^1,3

¹Казанский Приволжский федеральный университет, г. Казань, 420008, Россия

²Академия наук Республики Татарстан, Институт прикладных исследований, г. Казань, 420111, Россия

³Академия наук Республики Татарстан, г. Казань, 420111, Россия

Полный текст PDF

Аннотация

В статье проведено моделирование комбинационного рассеяния в системе «антенна – образец». Система состоит из анизотропной молекулы азохромофора, ковалентно связанной с цепью полимера, и анизотропной плазмонной антенны, расположенной вблизи молекулы. Предложена модель ближнеполевого взаимодействия в системе диполей, которая учитывает изменение поляризуемости антенны и молекулы из-за взаимного влияния их ближнего поля друг на друга. С помощью предложенной модели построены спектры усиленного зондом комбинационного рассеяния света в продольной и поперечной поляризациях для обоих изомеров азохромофора. Собственная поляризуемость молекулы и раман-тензоры мод колебаний определены путем квантово-механических расчетов молекулы с одним мономером по теории функционала плотности.

Ключевые слова: азохромофор, азополимерная пленка, плазмонная антенна, гигантское комбинационное рассеяние, поляризация ближнего поля, теория функционала плотности, тензор поляризуемости, раман-тензор

Благодарности.  Авторы выражают благодарность К.Л. Шухиной и А.И. Фишману (Казанский федеральный университет) за помощь в анализе мод колебаний молекулы и за получение и предоставление экспериментальных спектров ИК-поглощения и КРС изучаемой молекулой.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерством образования и науки РФ (госзадание № 3.7737.2017/7.8) и при использовании оборудования Центра коллективного пользования Казанского федерального университета. Работа выполнена при поддержке МОН РФ (номер контракта 14.575.21.0149 (RFMEFI57517X0149)).

Литература

1. Kharintsev S.S., Fishman A.I., Saikin S.K., Kazarian S.G. Near-field Raman dichroism of azo-polymers exposed to nanoscale dc electrical and optical poling // Nanoscale. – 2016. – V. 8, No 47. – P. 19867–19875. – doi: 10.1039/c6nr07508h.

2. Mino T., Saito Y., Yoshida H., Kawata S., Verma P. Molecular orientation analysis of organic thin films by z-polarization Raman microscope // J. Raman Spectrosc. – 2012. – V. 43, No 12. – P. 2029–2034. – doi: 10.1002/jrs.4118.

3. Novotny L., van Hulst N.  Antennas for light // Nat. Photonics. – 2011. – V. 5. – P. 83–90. – doi: 10.1038/nphoton.2010.237.

4. Краснок А.Е., Максимов И.С., Денисюк А.И., Белов П.А., Мирошниченко А.Е., Симовский К.Р., Кившарь Ю.С. Оптические наноантенны // Усп. физ. наук. – 2013. – Т. 183, Вып. 11. – C. 561–589. – doi: 10.3367/UFNr.0183.201306a.0561.

5. Mino T., Saito Y., Verma P. Quantitative analysis of polarization-controlled tip-enhanced raman imaging through the evaluation of the tip dipole // ACS Nano. – 2014. – V. 8, No 10. – P. 10187–10195. – doi: 10.1021/nn5031803.

6. Mino T., Saito Y., Verma P. Control of near-field polarizations for nanoscale molecular orientational imaging // Appl. Phys. Lett. – 2016. – V. 109, No 4. – Art. 041105, P. 1–5. – doi: 10.1063/1.4960016.

7. Saito Y., Verma P. Polarization-controlled Raman microscopy and nanoscopy // J. Phys. Chem. – 2012. – V. 3, No 10. – P. 1295–1300. – doi: 10.1021/jz300213t.

8. Yano T, Ichimura T., Kuwahara S., H'Dhili F., Uetsuki K, Okuno Y., Verma P., Kawata S. Tip-enhanced nano-Raman analytical imaging of locally induced strain distribution in carbon nanotubes // Nat. Commun. – 2013. – V. 4. – Art. 3592, P. 1–7. – doi: 10.1038/ncomms3592.

9. Ossikovski R., Nguyen Q., Picardi G. Simple model for the polarization effects in tip-enhanced Raman spectroscopy // Phys. Rev. B. – 2007. – V. 75, No 4. – Art. 045412, P. 1–9. – doi: 10.1103/PhysRevB.75.045412.

10. Canado L.G., Jorio A., Ismach A., Joselevich E., Hartschuh A., Novotny L. Mechanism of near-field Raman enhancement in one-dimensional systems // Phys. Rev. Lett. – 2009. – V. 103, No 18. – Art. 186101, P. 1–4. – doi: 10.1103/PhysRevLett.103.186101.

11. Maximiano R.V., Beams R., Novotny L., Jorio A., Canado L.G. Mechanism of near-field Raman enhancement in two-dimensional systems // Phys. Rev. B. – 2012. – V. 85, No 13. – Art. 235434, P. 1–8. – doi: 10.1103/PhysRevB.85.235434.

12. Nikonorova N.A., Balakina M.Yu., Fominykh O.D., Pudovkin M.S., Vakhonina T.A., Diaz-Calleja R., Yakimanskya A.V. Dielectric spectroscopy and molecular dynamics of epoxy oligomers with covalently bonded nonlinear optical chromophores // Chem. Phys. Lett. – 2012. – V. 552. – P. 114–121. – doi: 10.1016/j.cplett.2012.09.053.

13. Merlen A., Valmalette J.C., Gucciardi P.G., Lamy de la Chapelle M., Frigout A., Ossikovski R. Depolarization effects in tip-enhanced Raman spectroscopy // J. Raman Spectrosc. – 2009. – V. 40, No 10. – P. 1361–1370. – doi: 10.1002/jrs.2424.

14. Novotny L., Hecht B. Principles of Nano-Optics. – N. Y.: Cambridge Univ. Press, 2006. – 559 p.

15. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. VIII: Электродинамика сплошных сред. – М.: Наука, 1982. – 621 с.

16. Becke A.D. Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange // J. Chem. Phys. – 1993. – V. 98, No 7. – P. 5648–5652. – doi: 10.1063/1.464913.

17. Lee C., Yang W., Parr R.G. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density // Phys. Rev. B. – 1988. – V. 37, No 2. – P. 785–789. – doi: 10.1103/PhysRevB.37.785.

18. Weigend F., Ahlrichs R. Balanced basis sets of split valence, triple zeta valence and quadruple zeta valence quality for H to Rn: Design and assessment of accuracy // Phys. Chem. Chem. Phys. – 2005. – V. 7, No 18. – P. 3297–3305. – doi: 10.1039/B508541A.

19. Grimme S., Ehrlich S., Goerigk L. Effect of the damping function in dispersion corrected density functional theory // J. Comput. Chem. – 2011. – V. 32, No 15. – P. 1456–1465. – doi: 10.1002/jcc.21759.

20. Grimme S., Ehrlich S., Antony J., Krieg H. A consistent and accurate ab initio parametrization of density functional dispersion correction (DFT-D) for the 94 elements H-Pu // J. Chem. Phys. – 2010. – V. 132, No 7. – Art. 154104, P. 1–19. – doi: 10.1063/1.3382344.

21. Neese F. The ORCA program system // Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci. – 2012. – V. 2, No 1. – P. 73–78. – doi: 10.1002/wcms.81.

22. Kharintsev S.S., Shukhina K.L., Fishman A.I., Saikin S.K. Effect of secondary relaxation transitions on photo-induced anisotropy in glassy azobenzene-functionalized polymers // J. Mat. Chem. C. – 2017. – V. 5, No 27. – P. 6828–6833. – doi: 10.1039/C7TC01652B.

23. Arnoldus H.F. Representation of the near-field, middle-field, and far-field electromagnetic Green's functions in reciprocal space // J. Opt. Soc. Am. B. – 2001. – V. 18, No 4. – P. 547–555. – doi: 10.1364/JOSAB.18.000547.

24. Johnson P.B., Christy R.W. Optical constants of the noble metals // Phys. Rev. B. – 1972. – V. 6, No 12. – P. 4370–4379. – doi: 10.1103/PhysRevB.6.4370.

Поступила в редакцию

12.09.17

Газизов Алмаз Рашитович, аспирант кафедры оптики и нанофотоники, техник-проектировщик Центра коллективного пользования; научный сотрудник

Казанский (Приволжский) федеральный университет

ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия

Академия наук Республики Татарстан, Институт прикладных исследований

ул. Баумана, д. 20, г. Казань, 420111, Россия

E-mail:  equus.meteores@gmail.com

Харинцев Сергей Сергеевич, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры оптики и нанофотоники; старший научный сотрудник

Казанский (Приволжский) федеральный университет

ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия

Академия наук Республики Татарстан, Институт прикладных исследований

ул. Баумана, д. 20, г. Казань, 420111, Россия

Салахов Мякзюм Халимулович, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой оптики и нанофотоники; Президент АН РТ

Казанский (Приволжский) федеральный университет

ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия

Академия наук Республики Татарстан

ул. Баумана, д. 20, г. Казань, 420111, Россия

Для цитирования: Газизов А.Р., Харинцев С.С., Салахов М.Х. Самосогласованная модель усиления комбинационного рассеяния поляризованного света в азополимерной пленке с помощью плазмонной наноантенны // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки. – 2018. – Т. 160, кн. 1. – С. 61–71.

For citation: Gazizov A.R., Kharintsev S.S., Salakhov M.Kh. Self-consistent model for enhancement of the Raman scattering of polarized light in azo-polymer film with a plasmonic nanoantenna. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Fiziko-Matematicheskie Nauki, 2018, vol. 160, no. 1, pp. 61–71. (In Russian)

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.