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

نوع مقاله: مقاله پژوهشی کامل

نویسندگان

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

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
2 Department of Physics, Payame Noor University, POBOX 119395-3697, Tehran, Iran
3 Department of Physics, Payame Noor University, Tehran, Iran
4 Department of Physics, Payame Noor University, Tehran, Iran
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
[1] M. Attarian Shandiz, R. Gauvin, Journal of Applied Physics 116 (2014) 163501. https://doi.org/10.1063/1.4898388  
[2] A. Catellani, A. Calzolari, 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, 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, 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, Physical Review B 95 (2017) 094301. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.094301
[9] F. Caruso, F. Giustino, Physical Review B 94 (2016) 115208.
[10] A. Kazempour, T. Morshedloo; Diamond & Related Materials 70 (2016) 132. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2016.10.015
[11] I. Aharonovich, A.D. Greentree, S. Prawer, Nature Photonics 5 (2011) 397.
[12] J.P. Perdew, A. Zunger; 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, 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, Physical Review B 61 (2000) 10149. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.61.10149
[17] F. Occelli, P. Loubeyre, R. Letoulec; Nature Material 2 (2003) 151. 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, High Press 1 (1989) 333. https://doi.org/10.1080/08957958908202491
[19] X.D. Fan, J.L. Peng, L.A. Bursill; Modern physics letters B 12 (1998) 541.
[20] I. Loa, K. Syassen, G. Monaco, G. Vanko, M. Krisch, M. Hanfland, Physical Review Letters 107 (2011) 086402. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.086402