مطالعه ی ابتدا به ساکن تغییر مدهای پلاسمونی الماس تحت اعمال فشار از روش طیف افت انرژی

مرشدلو, تکتم; کاظم پور, علی

doi:10.22055/jrmbs.2020.15557

مطالعه ی ابتدا به ساکن تغییر مدهای پلاسمونی الماس تحت اعمال فشار از روش طیف افت انرژی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی کامل

نویسندگان

تکتم مرشدلو ¹^{، 2}
علی کاظم پور ³^{، 4}

¹ دانشکدة فیزیک دانشگاه پیام نور، کدپستی 3697-119395، تهران، ایران

² پژوهشکدة پوشش‌های نانو ساختار، دانشگاه پیام نور، کدپستی 74559-89431، یزد، ایران

³ دانشکده فیزیک دانشگاه پیام نور، کدپستی 3697-119395، تهران، ایران

⁴ پژوهشکده پوشش های نانو ساختار، دانشگاه پیام نور، کدپستی 74559-89431، یزد، ایران

10.22055/jrmbs.2020.15557

چکیده

در این مقاله با استفاده از نظریه تابعی چگالی به بررسی رفتار و تغییرات بسامدهای پلاسمونی انبوهه ای ایجاد شده در بلور الماس تحت اعمال فشارهای هیدرواستاتیک در بازه ی 0 تا 100 گیگا پاسکال می پردازیم. علاوه بر این، خصوصیت اپتیکی دیگری نظیر ضریب بازتاب نیز محاسبه می شود. نتایج ساختار الکترونی، چگالی احتمال گذار و طیف افت انرژی نشان می دهند که با افزایش فشار هیدرواستاتیک تا 100 گیگا پاسکال علاوه بر باز شدن گاف انرژی، جابجایی برانگیختگی پلاسمونی تا حدود 4 الکترون ولت به انرژی های بالاتر در محدوده ی فرابنفش نزدیک اتفاق می افتد. این در حالی است که با افزایش فشار، طول عمر پایداری پلاسمون ها از طریق تولید زوج الکترون-حفره، کاهش می یابد. این مطالعه نشان می دهد که تغییر در تمام ویژگی های اپتیکی الماس از جمله تابش های دسته جمعی پلاسمونی از طریق دستکاری و کنترل تابع دی الکتریک توسط محرک های خارجی نظیر فشار مکانیکی امکان پذیر می باشد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

First principle study of the modulation of plasmon modes in diamond crystal under pressure through energy loss spectrum

نویسندگان [English]

Toktam Morshedloo ¹ ²
Ali Kazempour ³ ⁴

¹ Department of Physics, Payame Noor University, POBOX 119395-3697, Tehran, Iran

³ Department of Physics, Payame Noor University, Tehran, Iran

⁴

چکیده [English]

In this paper, by using first principle method we address the variation of bulk plasmon frequencies of diamond crystal underlying hydrostatic pressure in the rang 0-100 GPa. Further, optical properties such as reflectivity coefficient is also calculated. Based on electronic structure, density of transition probability and electron energy loss function, results show that by increasing the pressure to 100 GPa, plasmon excitation shifts to higher energies about 4 eV in the near ultra-violet regime along with increasing the electronic band gap. That is while enhancing the pressure would reduce the plasmon lifetimes via the formation of electron-hole pair. Our finding shows that the modulation of all optical features such as collective plasmonic excitations are possible by manipulation and control of dielectric function by external probes such as pressure.

کلیدواژه‌ها [English]

Time Dependent Density Function Theory (TDDFT)
Plasmon excitation
Full Width at Half Maximum (FWHM)
Electron Energy Loss Function (EELS)
Reflection constant
Diamond

مراجع

[1] M. Attarian Shandiz, R. Gauvin, Density functional and theoretical study of the temperature and pressure dependency of the plasmon energy of solids, Journal of Applied Physics 116 (2014) 163501. https://doi.org/10.1063/1.4898388

[2] A. Catellani, A. Calzolari, Plasmonic properties of refractory titanium nitride, Physical Review B 95 (2017) 115145. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.115145

[3] M.L. Brongersma, N.J. Halas, P. Nordlander, Nature nanotechnology 10 (2015), 25–34. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25559968

[4] V.J. Keast, Ab initio calculations of plasmons and interband transitions in the low-loss electron energy-loss spectrum, Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena 143 (2005) 97–104. https://doi.org/10.1016/j.elspec.2004.04.005

[5] R. Kushal, J. Vorberger. Journal of Physics: Condensed Matter 32 9 (2019) 095401. https://doi.org/10.1088/1361-648X/ab558e

[6] A. Kazempour, Plasmon scattering in electron and hole doped diamond, T. Morshedloo, Superlattices and Microstructures 114 (2018) 386. https://doi.org/10.1016/j.spmi.2018.01.003

[7] I. Timrov, N. Vast, R. Gebauer, S. Baroni, Computer Physics Cmmunications 196 (2015) 460. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2015.05.021

[8] I. Timrov, M. Markov, T. Gorni, M. Raynaud, O. Motornyi, R. Gebauer, S. Baroni, N. Vast, Ab initio study of electron energy loss spectra of bulk bismuth up to 100 eV, Physical Review B 95 (2017) 094301. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.094301

[9] F. Caruso, F. Giustino, Theory of electron-plasmon coupling in semiconductors, Physical Review B 94 (2016) 115208.

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.94.115208

[10] A. Kazempour, T. Morshedloo, Pressure dependency of electron-phonon renormalization in diamond, Diamond & Related Materials 70 (2016) 132. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2016.10.015

[11] I. Aharonovich, A.D. Greentree, S. Prawer, Diamond photonics, Nature Photonics 5 (2011) 397. https://www.nature.com/articles/nphoton.2011.54

[12] J.P. Perdew, A. Zunger, Self-interaction correction to density-functional approximations for many-electron systems, Physical Review B 23 (1981) 5048. https://journals.aps.org/prb/issues/23/10

[13] Quantum-ESPRESSO is a community project for high-quality quantum-simulation software, based on density-functional theory, and coordinated by Paolo Giannozzi. See http://www.quantum espresso.org.

[14] A. Benassi; PWscf’s Epsilon. x User’s Manual. Vol. 3. Tech. Rep., Physics Department, Universita degli Studi di Modena e Reggio Emilia, and INFM, 2008. http://docplayer.net/49540858-P-w-scf-s-epsilon-x-user-s-manual.html

[15] H.C. Weissker, J. Serrano, S. Huotari, E. Luppi, M. Cazzaniga, F. Bruneval, F. Sottile, G. Monaco, V. Olevano, L. Reining, Dynamic structure factor and dielectric function of silicon for finite momentum transfer: Inelastic x-ray scattering experiments and ab initio calculations, Physical Review B 81 (2010) 085104. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.81.085104

[16] S. Waidmann, M. Knupfer, B. Arnold, J. Fink, A. Fleszar, W. Hanke, Local-field effects and anisotropic plasmon dispersion in diamond, Physical Review B 61 (2000) 10149. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.61.10149

[17] F. Occelli, P. Loubeyre, R. Letoulec, Properties of diamond under hydrostatic pressures up to 140 GPa, Nature Material 2 (2003) 151-154. https://doi.org/10.1038/nmat831

[18] I.V. Alexandrov, A.P. Goncharov, I.N. Makarenko, A.N. Zisman, E.V. Jakovenko, S.M. Stishov, Diamond and cubic boron nitride under high pressure: Raman scattering, equation of state and high pressure, High Press 1 (1989) 333. https://doi.org/10.1080/08957958908202491

[19] X.D. Fan, J.L. Peng, L.A. Bursill, Joint Density of States of Wide-Band-Gap Materials by Electron Energy Loss Spectroscopy, Modern physics letters B 12 (1998) 541. https://doi.org/10.1142/S0217984998000640

[20] I. Loa, K. Syassen, G. Monaco, G. Vanko, M. Krisch, M. Hanfland, Plasmons in Sodium under Pressure: Increasing Departure from Nearly Free-Electron Behavior, Physical Review Letters 107 (2011) 086402. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.086402