Введение
ГЛАВА 1. Ионный обмен в стеклах 23
1.1. Моделирование процесса ионного обмена в стекле 24
1.1.1. Уравнение двухкомпонетного ионного обмена в стекле 25
1.1.2. Уравнение трехкомпонетного ионного обмена в стекле 27
1.1.3. Примеры расчетов ионообменных профилей концентрации в стекле. Влияние нелинейности диффузии и электрического поля 29
1.2. Экспериментальное исследование процесса ионного обмена в
стеклах 32
1.2.1. Подготовка образцов и методы исследования 32
1.2.2. Исследование изменения показателя преломления стеклянной матрицы при ионном обмене 36
1.2.3. Исследование зависимости коэффициента диффузии от концентрации 39
1.2.4. Исследование влияния состава стекла на характеристики ионообменного процесса 42
1.3. Формирование ионообменных дифракционных структур в стекле 45
1.4. Выводы к Главе 1 53
ГЛАВА 2. Моделирование ионообменного формирования стеклометаллических нанокомпозитов 56
2.1. Формирование металлических наночастиц в стекле при восстановлении металлов водородом 57
2.1.1. Постановка задачи и построение физической модели 58
2.1.2. Граничные и начальные условия 63
2.1.3. Параметры, использованные для моделирования 64
2.1.4. Результаты моделирования 65
2.1.5. Влияние параметров ионного обмена на формирование наночастиц 68
2.1.6. Сравнение с экспериментом 71
2.2. Формирование металлических наночастиц методом ионного обмена на основе стекол, содержащих восстановитель 73
2.2.1. Постановка задачи и построение физической модели 73
2.2.2. Граничные и начальные условия 75
2.2.3. Параметры, использованные для моделирования 76
2.2.4. Результаты моделирования 76
2.2.5. Влияние параметров модели 79
2.2.6. Сравнение модели с экспериментом з
2.3. Выводы к Главе 2 83
ГЛАВА 3. Изготовление и экспериментальные исследования стеклометаллических нанокомпозитов 85
3.1. Методика синтеза 87
3.2. Методика эксперимента 87
3.3. СМНК с серебряными наночастицами 89
3.4. СМНК с медными наночастицами 101
3.5. Нанокомпозиты с частицами двух металлов 105
3.6. Выводы к Главе 3 111
ГЛАВА 4. Линейные и нелинейные диэлектрические свойства стеклометаллических нанокомпозитов 114
4.1. Диэлектрическая функция композитных сред. Теория
эффективной среды 116
4.1.1. Границы диэлектрической проницаемости композитных сред 117
4.1.2. Приближение эффективной среды 121
4.1.2.1. Приближение эффективной среды Гарнетта 123
4.1.2.2. Приближение эффективной среды Бруггемана 125
4.1.2.3. Приближение эффективной среды Шенга 126
4.2. Частотная зависимость диэлектрических свойств СМНК. Спектры оптического поглощения 128
4.2.1. Линейная диэлектрическая проницаемость металла в модели ангармонических осцилляторов 129
4.2.2. Параметры модели 131
4.2.3. Зависимость линейной диэлектрической проницаемости металлических включений от их радиуса 133
4.2.4. Моделирование спектров оптического поглощения с использованием подхода эффективной среды 135
4.3. Построение модели оптической нелинейности
стеклометаллических нанокомпозитов 138
4.3.1. Нелинейная восприимчивость металла 140
4.3.2. Оценка параметра нелинейности 144
4.3.3. Нелинейная восприимчивость композита 144
4.4. Исследование нелинейных оптических характеристик СМНК на
основе серебра и меди 146
4.4.1. Нелинейная восприимчивость металлов 146
4.4.2. Фактор усиления локального поля 147
4.4.3. Нелинейная восприимчивость композита 151
4.5. Верификация построенной модели нелинейных свойств СМНК 153
4.6. Выводы к Главе 4 154
ГЛАВА 5. Плазмон-поляритоны в стеклометаллических нанокомпозитах 156
5.1. ППП на границе двух сред: основные характеристики 157
5.2. ППП в СМНК без потерь 160
5.2.1. СМНК с малым содержанием металла 160
5.2.2. СМНК с высоким содержанием металла 163
5.2.3. Дисперсия ППП в Друде-композитах 166
5.2.4. Области существования ППП в СМНК 167
5.3. ППП в СМНК на основе благородных металлов 171
5.3.1. СМНК на основе серебра, золота и меди 171
5.3.2. Дисперсия ППП в серебряном СМНК 172
5.3.3. Характеристики ППП в серебряном СМНК 174
5.3.4. Области существования ППП в серебряном СМНК. Влияние матрицы 175
5.3.5. ППП в СМНК на основе золота и меди 178
5.4. Возбуждение ППП на границе композита 180
5.5. Выводы к Главе 5 183
ГЛАВА 6. Формирование металлических наноостровковых пленок при отжиге ионообменного стекла в водороде и их исследование 185
6.1. Моделирование формирования наноостровковых пленок 186
6.1.1. Построение физической модели и формулировка уравнений 186
6.1.2. Результаты моделирования: образование и рост островковой пленки 189
6.2. Экспериментальные исследования наноостровковых пленок 191
6.2.1. Формирование наноостровковых пленок на поверхности силикатного стекла 191
6.2.2. Формирование наноостровковых пленок на поверхности фосфатного стекла 196
6.3. Плазмонный резонанс в наноостровковых пленках 197
6.3.1. Металлическая полусфера на подложке 198
6.3.1.1. Аналитическая модель 198
6.3.1.2. Результаты вычислений 201
6.3.2. Металлическая полусфера с диэлектрическим покрытием 205
6.3.2.1. Аналитическая модель 205
6.3.2.2. Результаты вычислений 208
6.4. Применение наноостровковых пленок в рамановской спектроскопии 214
6.5. Выводы к Главе 6 217
ГЛАВА 7. Оптические структуры на основе смнк и поляризованных ионообменных стекол 219
7.1. Новые методики формирования оптических структур:
поляризация ионообменных стекол и просветление СМНК 221
7.1.1. Поляризация ионообменных стекол 221
7.1.2. Электро-полевое просветление СМНК 225
7.2. Оптические волноводы на основе ионообменных стекол 228
7.3. Дифракционные решетки 235
7.3.1. Дифракционные решетки на основе поляризованных ионообменных стекол 235
7.3.2. Решетки из наноостровковых пленок 243
7.3.3. Дифракционные решетки на основе просветления СМНК 244
7.4. Выводы к Главе 7 247
Заключение 248
Список сокращений 254
Список литературы .
