Математические модели анализа квантовых эффектов плазмонных наноструктур на основе численно-аналитических методов (промежуточный)

Задача исследования влияния квантовых эффектов на оптические характеристики плазмонных наноструктур имеет как теоретическое, так и огромное практическое значение при разработке инновационных технологий в медицине, биологии и зеленой энергетике. Совершенствование технологий синтеза наноструктур (НС) приводит к миниатюризации их составляющих так, что размеры элементов становятся менее 10нм. В этом случае возникают квантовые эффекты, которые могут существенно искажать функциональные свойства структур, драматически снижая ожидаемый полезный эффект. Для описания квантовых эффектов была разработана теория Обобщенного нелокального отклика (ОНО), которая позволяет описывать влияние пространственной нелокальности и затухания Ландау на оптические свойства НС. Этот подход хорошо описывает свойства благородных металлов, однако его применение к щелочным металлам дает неверные результаты. В самые последние годы была разработана мезоскопическая теория, которая позволяет описывать квантовые эффекты НС, оставаясь в рамках классической теории Максвелла. В рамках этой теории на границах металла ставятся мезоскопические условия, заменяющие собой условия сопряжения для электромагнитных полей. Это дает возможность адекватно описывать поведение структур из благородных и щелочных металлов. В результате проведенных исследований был разработан универсальный метод анализа влияния квантовых эффектов на функциональные свойства наноструктур. Это метод дискретных источников, который в рамках универсальной схемы позволяет проводить исследование, как объемных эффектов в рамках теории ОНО, так и эффектов, описываемых на основе мезоскопических граничных условий. Полученный результат существенно упрощает анализ влияния квантовых эффектов, так как действует в рамках классической схемы Максвелла, позволяя исследовать НС различного назначения. По сравнению с чисто квантовыми подходами, которые требуют гигантских затрат ресурсов компьютера и времени, ограничиваясь лишь НС всего в несколько нанометров, метод дискретных источников позволяет проводить анализ частиц и их кластеров реального размера. При использовании метода дискретных источников было установлено, что теория ОНО существенно занижает амплитуду плазмонного резонанса, который служит решающим фактором при проектировании НС, по сравнению с мезоскопической теорией. Иногда это снижение может достигать порядка величин, особенно для структур, располагающихся в плотной внешней среде.