Ukrainian Journal of Physical Optics


2025 Volume 26, Issue 3


ISSN 1816-2002 (Online), ISSN 1609-1833 (Print)

FORMATION OF THREE-DIMENSIONAL STRUCTURES OF METAL NANOPARTICLES IN ALKALI-HALIDE CRYSTALS USING INTERFERENCE LIGHT FIELD

A.V. Tyurin, S.A. Zhukov and A.Y. Bekshaev

Author Information
A.V. Tyurin ORCID logo SCOPUS logo, S.A. Zhukov * SCOPUS logo, A.Y. BekshaevORCID logo SCOPUS logo,
Physics Research Institute, Odesa I.I. Mechnikov National University, V. Zmienka 2, 65082, Odesa, Ukraine
*Corresponding author: zhukov@onu.edu.ua

ABSTRACT

Rapid progress in high technologies requires the implementation of new methods for recording, reproducing, and converting electromagnetic radiation in the visible and near-infrared ranges. Among those, of particular relevance is the problem of creating regular 3D arrays of nanoscale objects in condensed media and controlling their properties, structure, and topology. Such nanoobjects and their arrays offer efficient means for controllable data encoding and information recording. In particular, these can be created in materials based on additively colored alkali halide crystals (ACAHCs) containing F-centers. The advantages of these media are as follows: (i) nano-objects of very diverse structures and properties can be formed; (ii) the spatial distribution of quasi-metallic X-centers created in the ACAHC volume due to the F–X transformation of color centers under the action of the spatially inhomogeneous interference light field (ILF) completely reproduces its spatial structure. As a result, changing the ILF configuration in the ACAHC volume enables control of the spatial structure formed by the X-centers. The methods for controlling the spatial distribution of X-centers have been tested in holographic practice and confirmed by modeling results. They can serve as a prototype for a wide range of procedures for the purposeful generation of structures from nanoparticles emerging as products of photolysis in the crystal volume.

Keywords: alkali halide crystals; F-centers; X-centers; interference light field; Dember effect; quasi-metallic nanoparticles; 3D arrays

UDC: 535.37

    1. Jacak, J., Krasnyj, J., Jacak, W., Gonczarek, R., Chepok, A., & Jacak, L. (2010). Surface and volume plasmons in metallic nanospheres in a semiclassical RPA-type approach: Near-field coupling of surface plasmons with the semiconductor substrate. Physical Review B-Condensed Matter and Materials Physics, 82(3), 035418.
      doi:10.1103/PhysRevB.82.035418
    2. Krenn, J. R., Dereux, A., Weeber, J. C., Bourillot, E., Lacroute, Y., Goudonnet, J. P., Schider, G., Gostschy, W., Leitner, A., Aussenegg, F. R., & Girard, C. (1999). Squeezing the optical near-field zone by plasmon coupling of metallic nanoparticles. Physical Review Letters, 82(12), 2590.
      doi:10.1103/PhysRevLett.82.2590
    3. Vorob’ev, A. A. (1968). Color centers in alkali halide crystals. Tomsk. Gos. Univ.
    4. Tyurin, A. V., Zhukov, S. A., & Akhmerov, A. Y. (2024). Three-dimensional holographic optical elements based on new microsystems. International Science Group.
      doi:10.46299/979-8-89292-735-2
    5. Akhmerov, O., Zhukov, S. O., Savasteeva, O. M., & Tyurin, O. V. (2024). Laser guidance systems based on three-dimensional holographic optical elements. Modern Engineering and Innovative Technologies, (34-01), 38-49.
      doi:10.30890/2567-5273.2024-34-00-028
    6. Angelsky, O. V., Bekshaev, A. Y., Hanson, S. G., Zenkova, C. Y., Mokhun, I. I., & Zheng, J. (2020). Structured light: ideas and concepts. Frontiers in Physics, 8, 114.
      doi:10.3389/fphy.2020.00114
    7. Bekshaev, A. Y. (2010). A simple analytical model of the angular momentum transformation in strongly focused light beams. Cent. Eur. J. Phys., 8, 947-960.
      doi:10.2478/s11534-010-0011-2
    8. Vladimirov, D. A., Mandel, V. E., Popov, A. Y., & Tyurin, A. V. (2004). Photothermal Conversion of F centres in Additively Coloured Potassium Chloride Crystals with Cationic and Anionic, mpurities. Ukr. J. Phys. Opt, 5(4), 131.
      doi:10.3116/16091833/5/4/131/2004
    9. Shalimova, K. V. (1985). Physics of semiconductors. Energoatomizdat, Moscow.
    10. Popov, A. Y., Tyurin, A. V., Smyntyna, V. A., & Grinevich, V. S. (2011, 12-15 May 2011). 3D structures from nanoparticles formation by light-gradient method. Advances in Applied Physics & Material Science "APMAS 2011", Turkey, Antalya. Book of Abstracts: vol. 2, 445.
      doi:10.4081/hr.2011.s2
    11. Popov, A. Y., Tyurin, A. V., & Vladimirov, D. A. (2003). Computer modeling of the photoinduced diffuse-drift instability in spatially-periodic light fields. Visnyk Cherkas'koho Universytetu, Ser. Fiz.-Mat. Nauky, 53, 122-131.
    12. Popov, A. Y. (1995). Photostimulated processes in alkali-halide crystals and chalcogenide glassy semiconductors upon recording volume holograms. [Unpublished dissertation], Chernivtsi National University, Chernivtsi.
    13. Belous, V. M., Mandel, V. E., Popov, A. Y., & Tyurin, A. V. (1999). Mechanism of holographic recording based on photothermal transformation of color centers in additively colored alkali halide crystals. Optics and Spectroscopy, 87(2), 305-310.
    14. Popov, A. Y., Popova, E. V., & Tyurin, A. V. (1995). Mechanism of the FM transformation of color centers in potassium chloride crystals. Optics and Spectroscopy, 78(3).
    15. Vladimirov, D. A., Mandel', V. E., Popov, A. Y., & Tyurin, A. V. (2005). Optimization of the recording conditions for holograms recorded in additively colored KCl crystals. Optics and Spectroscopy, 99, 137-140.
      doi:10.1134/1.1999906
    16. Pfann, W. G. (1966). Zone Melting. John Wiley & Sons, New York.
    17. Bekshaev, A. Y., & Karamoch, A. I. (2008). Displacements and deformations of a vortex light beam produced by the diffraction grating with embedded phase singularity. Optics Communications, 281(14), 3597-3610.
      doi:10.1016/j.optcom.2008.03.070
    18. Bekshaev, A., Sviridova, S., Popov, A., Rimashevsky, A., & Tyurin, A. (2013). Optical vortex generation by volume holographic elements with embedded phase singularity: Effects of misalignments. Ukrainian Journal of Physical Optics, 14(4), 171-186.
      doi:10.3116/16091833/14/4/171/2013
    19. Bekshaev, A. Y., Karamoch, A. I., & Popov, A. Y. (2008, June 23-28). Generation of vortex light beams by holographic grating with embedded phase singularity: output beam configuration and sensitivity to misalignments. International Conference "Laser Optics 2008, St. Petersburg, Russia. Technical program, 29.
    20. Popov, A. Y., Bekshaev, A. Y., & Tyurin, A. V. (2010, September 28-30). Application of singular optical beams for data encoding and security. V International Conference on Optoelectronic Information Technologies PHOTONICS-ODS 2010, Ukraine, Vinnytsia, VNTU, Abstracts, 36 (231).

    Швидкий розвиток високих технологій вимагає впровадження нових способів запису, відтворення та перетворення електромагнітного випромінювання у видимому та ближньому ІЧ діапазонах. Серед них особливо актуальною є проблема створення регулярних 3D-масивів нанорозмірних об'єктів у конденсованих середовищах та керування їх властивостями, структурою і топологією. Такі нанооб'єкти та їх масиви можуть стати основою ефективних засобів керованого кодування даних та запису інформації. Зокрема, їх можна створювати в матеріалах на основі адитивно забарвлених лужно-галоїдних кристалів (АЗЛГК), що містять F-центри. Переваги цих середовищ полягають у тому, що:
    (i) в них можна формувати нанооб'єкти вельми різноманітних структур та властивостей;
    (ii) просторовий розподіл квазіметалічних X-центрів, створених в об'ємі АЗЛГК внаслідок F–X-перетворення центрів забарвлення під дією інтерференційного світлового поля (ІСП), повністю відтворює його просторову структуру.
    Як наслідок, зміна конфігурації ІСП в об'ємі АЗЛГК дозволяє керувати просторовою структурою, утвореною X-центрами. Методи керування просторовим розподілом X-центрів були випробувані в голографічній практиці, підтверджені результатами моделювання та можуть слугувати прототипом для широкого спектру процедур цілеспрямованої генерації структур з наночастинок, що виникають як продукти фотолізу в об'ємі кристала.

    Ключові слова: лужно-галоїдні кристали; центри забарвлення; X-центри; інтерференційне світлове поле; ефект Дембера; квазіметалічні наночастинки; тривимірні структури

Free download this article 

This work is licensed under CC BY 4.0