Связь усиления люминисценции ионов Er$^{3+}$ и локального электрического поля агрегатов наночастиц Ag в оксидных стеклах

На примере ряда допированных ионами Er$^{3+}$ оксидных стекол с различными показателями преломления, содержащих наночастицы (НЧ) Ag с широко изменяемыми средними размерами и степенью агломерации НЧ, установлено наличие количественного соответствия между средними усилениями интенсивностей экспериментальной фотолюминесценции (ФЛ) ионов Er$^{3+}$ и рассчитанного локального электрического поля (ЛЭП) в окрестности агломератов НЧ серебра. Показано, что для НЧ с размерами $\gtrsim$ 5 nm усиление ЛЭП является основным механизмом усиления ФЛ РЗ ионов. Установлено, что величина среднего усиления ФЛ РЗ ионов в изучаемом стекле может быть получена в результате расчета ЛЭП для “представительного агрегата”, состоящего из небольшого числа плазмонных НЧ, с параметрами структуры агрегата, определяемыми по данным метода просвечивающей электронной микроскопии. Возможность использования такого агрегата для количественной оценки ФЛ РЗ ионов позволила заключить, что основной эффект усиления ФЛ обусловлен теми из РЗ ионов, которые располагаются в областях повышенной плотности НЧ, или в окрестности их агломератов. Для характеристики репрезентативного агрегата НЧ в изучаемом стекле введена в рассмотрение его собственная длина волны, которая определяется средним размером частиц, минимальным расстоянием между ними, показателем преломления стекла, и хорошо согласуется с положением максимума в экспериментальном спектре оптического поглощения этого стекла. Использование собственной длины волны репрезентативного агрегата в качестве оптической характеристики допированного стекла позволяет формулировать оптимальные требования к синтезу стекла и к выбору длины волны возбуждающего излучения, обеспечивающих наиболее эффективное усиление интенсивности ФЛ РЗ ионов благодаря усилению интенсивности ЛЭП плазмонных НЧ.