Локализованный поверхностный плазмон

Локализованный поверхностный плазмон ( LSP ) является результатом заключения поверхностного плазмона в наночастицу , размер которой сравним или меньше длины волны света, используемого для возбуждения плазмона . Когда небольшая сферическая металлическая наночастица облучается светом, колеблющееся электрическое поле заставляет электроны проводимости когерентно колебаться. При смещении электронного облака относительно исходного положения возникает возвращающая сила кулоновского притяжения между электронами и ядрами. Эта сила заставляет электронное облако колебаться. Частота колебаний определяется плотностью электронов, эффективной массой электронов, размером и формой распределения заряда. ^[1] LSP имеет два важных эффекта: электрические поля вблизи поверхности частицы значительно усиливаются, а оптическое поглощение частицы имеет максимум на плазмона резонансной частоте . Поверхностный плазмонный резонанс также можно настроить в зависимости от формы наночастицы. ^[1] Частота плазмона может быть связана с диэлектрической проницаемостью металла. ^[1] Усиление быстро падает с расстоянием от поверхности, а для наночастиц благородных металлов резонанс возникает в видимых длинах волн. ^[2] Локализованный поверхностный плазмонный резонанс создает яркие цвета в коллоидных растворах металлов. ^[3]

Для таких металлов, как серебро и золото, на частоту колебаний также влияют электроны на d-орбиталях. Серебро является популярным выбором в плазмонике, изучающей эффект взаимодействия света с зарядами, поскольку оно может поддерживать поверхностный плазмон в широком диапазоне длин волн (300–1200 нм), а его пиковая длина волны поглощения легко меняется. ^[2] Например, пиковая длина волны поглощения треугольных наночастиц серебра была изменена путем изменения остроты углов треугольников. Он претерпел синее смещение, поскольку резкость углов треугольников уменьшилась. ^[4] Кроме того, пиковая длина волны поглощения претерпела красное смещение по мере добавления большего количества HAuCl ₄ и увеличения пористости частиц. ^[3] Для полупроводниковых наночастиц максимальное оптическое поглощение часто приходится на ближнюю инфракрасную и среднюю инфракрасную область. ^[5]^[6]

Распространяющиеся поверхностные плазмоны

Локализованные поверхностные плазмоны отличаются от распространяющихся поверхностных плазмонов. В локализованных поверхностных плазмонах электронное облако колеблется коллективно. При распространении поверхностных плазмонов поверхностный плазмон распространяется вперед и назад между концами структуры. Распространяющиеся поверхностные плазмоны также должны иметь хотя бы один размер, близкий к длине волны падающего света или превышающий ее. Волны, создаваемые распространяющимися поверхностными плазмонами, также можно настраивать, управляя геометрией металлической наноструктуры. ^[2]

Характеристика и исследование локализованных поверхностных плазмонов

Цель плазмоники — понять и манипулировать поверхностными плазмонами на наномасштабе, поэтому характеристика поверхностных плазмонов важна. Некоторыми методами, часто используемыми для характеристики поверхностных плазмонов, являются темнопольная микроскопия, УФ-/БИК-спектроскопия и поверхностно-усиленное комбинационное рассеяние (SERS). ^[2] С помощью темнопольной микроскопии можно отслеживать спектр отдельной металлической наноструктуры по мере изменения поляризации падающего света, длины волны или изменений в диэлектрической среде. ^[7]

Приложения

Плазмонная очень резонансная частота чувствительна к показателю преломления окружающей среды; изменение показателя преломления приводит к сдвигу резонансной частоты . Поскольку резонансную частоту легко измерить, это позволяет использовать наночастицы LSP для приложений наноразмерного зондирования. ^[8] Кроме того, наночастицы, обладающие сильными свойствами LSP, такие как золотые наностержни , могут усиливать сигнал при зондировании поверхностного плазмонного резонанса. ^[9]^[10] Наноструктуры, демонстрирующие LSP-резонансы, используются для усиления сигналов в современных аналитических методах, основанных на спектроскопии . Другими приложениями, которые полагаются на эффективное генерирование света и тепла в наномасштабе, являются магнитная запись с подогревом (HAMR), фототермическая терапия рака и термофотоэлектрическая энергетика. ^[11] До сих пор высокоэффективные применения с использованием плазмоники не были реализованы из-за высоких омических потерь внутри металлов, особенно в оптическом спектральном диапазоне (видимом и ближнем ИК-диапазоне). ^[12]^[13] Кроме того, поверхностные плазмоны использовались для создания суперлинз, плащей-невидимок и для улучшения квантовых вычислений. ^[14]^[15]^[16] Еще одна интересная область исследований в плазмонике — способность «включать» и «выключать» плазмоны путем модификации другой молекулы. Возможность включать и выключать плазмоны имеет важные последствия для повышения чувствительности методов обнаружения. ^[2] Недавно супрамолекулярный хромофор был соединен с металлической наноструктурой. Это взаимодействие изменило свойства локализованного поверхностного плазмонного резонанса наноструктуры серебра за счет увеличения интенсивности поглощения. ^[17]

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с Келли, К. Лэнс (21 декабря 2002 г.). «Оптические свойства металлических наночастиц: влияние размера, формы и диэлектрической среды». Журнал физической химии Б. 107 (3): 668–677. дои : 10.1021/jp026731y .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Рисенга, Мэтью; Кобли, Клэр М.; Цзэн, Цзе; Ли, Вэйян; Моран, Кристин Х.; Чжан, Цян; Цинь, Донг; Ся, Юнань (2011). «Контроль синтеза и сборки наноструктур серебра для плазмонных приложений» . хим. Преподобный . 111 (6): 3669–3712. дои : 10.1021/cr100275d . ПМК 3110991 . ПМИД 21395318 .
^ Jump up to: ^а ^б Скрабалак, Сара Э.; Ау, Лесли; Ли, Синдэ; Ся, Юнань (сентябрь 2007 г.). «Легкий синтез нанокубов Ag и наноклеток Au». Протоколы природы . 2 (9): 2182–2190. дои : 10.1038/nprot.2007.326 . ISSN 1750-2799 . ПМИД 17853874 . S2CID 20587542 .
^ Цзэн, Цзе; Робертс, Стефан; Ся, Юнань (2010). «Индикаторы времени и температуры на основе нанокристаллов». Химия – Европейский журнал . 16 (42): 12559–12563. дои : 10.1002/chem.201002665 . ISSN 1521-3765 . ПМИД 20945450 .
^ Лю, Синь; Суихарт, Марк Т. (2014). «Сильнолегированные коллоидные полупроводники и нанокристаллы оксидов металлов: новый класс плазмонных наноматериалов». хим. Соц. Преподобный . 43 (11): 3908–3920. дои : 10.1039/c3cs60417a . ПМИД 24566528 .
^ Чжоу, Шу; Пи, Сяодун; Ни, Жени; Дин, Йи; Цзян, Иньин; Джин, Чуанхун; Делерю, Кристоф; Ян, Дерен; Нодзаки, Томохиро (2015). «Сравнительное исследование локализованного поверхностного плазмонного резонанса кремниевых нанокристаллов, легированных бором и фосфором». АСУ Нано . 9 (1): 378–386. дои : 10.1021/nn505416r . ПМИД 25551330 .
^ Хаес, Аманда Дж.; Ван Дуйн, Ричард П. (1 августа 2004 г.). «Единый взгляд на распространяющиеся и локализованные биосенсоры поверхностного плазмонного резонанса». Аналитическая и биоаналитическая химия . 379 (7): 920–930. дои : 10.1007/s00216-004-2708-9 . ISSN 1618-2650 . ПМИД 15338088 . S2CID 4814291 .
^ Майер, Кэтрин М.; Хафнер, Джейсон Х. (2011). «Датчики локализованного поверхностного плазмонного резонанса». Химические обзоры . Плазмоника (111): 3828–3857. дои : 10.1021/cr100313v . ПМИД 21648956 .
^ Лу, Джеки Фонг-Чуэн; Ян, Чэнбинь; Цанг, Хин Лунь; Лау, Пуи Ман; Йонг, Кен-Тай; Хо, Хо Пуи; Конг, Сиу Кай (2017). «Анализ Aptamer Bio-barCode (ABC) с использованием SPR, РНКазы H и зондов с РНК и золотых наностержней для скрининга противораковых препаратов». Аналитик . 142 (19): 3579–3587. Бибкод : 2017Ана...142.3579L . дои : 10.1039/C7AN01026E . ISSN 0003-2654 . ПМИД 28852760 .
^ Ло, Вин-Чунг; Йонг, Кен-Тай; Баев, Александр; Ху, Руи; Прасад, Парас Н. (12 октября 2009 г.). «Биозондирование поверхностного плазмонного резонанса с усилением наночастиц: применение золотых наностержней» . Оптика Экспресс . 17 (21): 19041–19046. Бибкод : 2009OExpr..1719041L . дои : 10.1364/OE.17.019041 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 20372639 .
^ Эль-Каббаш, Мохамед; и др. (2017). «Настраиваемое черное золото: контроль ближнепольной связи иммобилизованных наночастиц золота, встроенных в капсулы из мезопористого кремнезема». Передовые оптические материалы . 5 (21): 1700617. doi : 10.1002/adom.201700617 . S2CID 103781835 .
^ Хургин, Джейкоб (2015). «Как бороться с потерями в плазмонике и метаматериалах». Природные нанотехнологии . 10 (1): 2–6. arXiv : 1411.6577 . Бибкод : 2015НатНа..10....2К . дои : 10.1038/nnano.2014.310 . ПМИД 25559961 . S2CID 6906889 .
^ Эль-Каббаш, Мохамед; и др. (2017). «Сверхбыстрая переходная динамика оптических потерь в экситон-плазмонных наносборках». Наномасштаб . 9 (19): 6558–6566. дои : 10.1039/c7nr01512g . hdl : 11693/37238 . ПМИД 28470299 .
^ Фанг, Николас; Ли, Хесог; Сунь, Ченг; Чжан, Сян (22 апреля 2005 г.). «Оптическое изображение с ограничением субдифракции с помощью серебряной суперлинзы». Наука . 308 (5721): 534–537. Бибкод : 2005Sci...308..534F . дои : 10.1126/science.1108759 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 15845849 . S2CID 1085807 .
^ Шалаев Владимир М. (январь 2007 г.). «Оптические метаматериалы с отрицательным преломлением». Природная фотоника . 1 (1): 41–48. Бибкод : 2007NaPho...1...41S . дои : 10.1038/nphoton.2006.49 . ISSN 1749-4893 . S2CID 170678 .
^ Чанг, Делавэр; Соренсен, AS; Хеммер, PR; Лукин, доктор медицинских наук (3 августа 2006 г.). «Квантовая оптика с поверхностными плазмонами». Письма о физических отзывах . 97 (5): 053002. arXiv : quant-ph/0506117 . Бибкод : 2006PhRvL..97e3002C . doi : 10.1103/PhysRevLett.97.053002 . ПМИД 17026098 . S2CID 7782449 .
^ Чжоу, Хайбо; Ян, Даньтинг; Ивлева Наталья П.; Мирческу, Николета Э.; Шуберт, Серен; Нисснер, Рейнхард; Визер, Андреас; Хайш, Кристоф (7 июля 2015 г.). «Дискриминация живых и мертвых бактерий in situ без меток с помощью поверхностно-усиленного комбинационного рассеяния». Аналитическая химия . 87 (13): 6553–6561. дои : 10.1021/acs.analchem.5b01271 . ISSN 0003-2700 . ПМИД 26017069 .

[:0-1] Jump up to: ^а ^б ^с Келли, К. Лэнс (21 декабря 2002 г.). «Оптические свойства металлических наночастиц: влияние размера, формы и диэлектрической среды». Журнал физической химии Б. 107 (3): 668–677. дои : 10.1021/jp026731y .

[:1-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Рисенга, Мэтью; Кобли, Клэр М.; Цзэн, Цзе; Ли, Вэйян; Моран, Кристин Х.; Чжан, Цян; Цинь, Донг; Ся, Юнань (2011). «Контроль синтеза и сборки наноструктур серебра для плазмонных приложений» . хим. Преподобный . 111 (6): 3669–3712. дои : 10.1021/cr100275d . ПМК 3110991 . ПМИД 21395318 .

[Skrabalak_2182–2190-3] Jump up to: ^а ^б Скрабалак, Сара Э.; Ау, Лесли; Ли, Синдэ; Ся, Юнань (сентябрь 2007 г.). «Легкий синтез нанокубов Ag и наноклеток Au». Протоколы природы . 2 (9): 2182–2190. дои : 10.1038/nprot.2007.326 . ISSN 1750-2799 . ПМИД 17853874 . S2CID 20587542 .

[4] Цзэн, Цзе; Робертс, Стефан; Ся, Юнань (2010). «Индикаторы времени и температуры на основе нанокристаллов». Химия – Европейский журнал . 16 (42): 12559–12563. дои : 10.1002/chem.201002665 . ISSN 1521-3765 . ПМИД 20945450 .

[5] Лю, Синь; Суихарт, Марк Т. (2014). «Сильнолегированные коллоидные полупроводники и нанокристаллы оксидов металлов: новый класс плазмонных наноматериалов». хим. Соц. Преподобный . 43 (11): 3908–3920. дои : 10.1039/c3cs60417a . ПМИД 24566528 .

[6] Чжоу, Шу; Пи, Сяодун; Ни, Жени; Дин, Йи; Цзян, Иньин; Джин, Чуанхун; Делерю, Кристоф; Ян, Дерен; Нодзаки, Томохиро (2015). «Сравнительное исследование локализованного поверхностного плазмонного резонанса кремниевых нанокристаллов, легированных бором и фосфором». АСУ Нано . 9 (1): 378–386. дои : 10.1021/nn505416r . ПМИД 25551330 .

[7] Хаес, Аманда Дж.; Ван Дуйн, Ричард П. (1 августа 2004 г.). «Единый взгляд на распространяющиеся и локализованные биосенсоры поверхностного плазмонного резонанса». Аналитическая и биоаналитическая химия . 379 (7): 920–930. дои : 10.1007/s00216-004-2708-9 . ISSN 1618-2650 . ПМИД 15338088 . S2CID 4814291 .

[8] Майер, Кэтрин М.; Хафнер, Джейсон Х. (2011). «Датчики локализованного поверхностного плазмонного резонанса». Химические обзоры . Плазмоника (111): 3828–3857. дои : 10.1021/cr100313v . ПМИД 21648956 .

[9] Лу, Джеки Фонг-Чуэн; Ян, Чэнбинь; Цанг, Хин Лунь; Лау, Пуи Ман; Йонг, Кен-Тай; Хо, Хо Пуи; Конг, Сиу Кай (2017). «Анализ Aptamer Bio-barCode (ABC) с использованием SPR, РНКазы H и зондов с РНК и золотых наностержней для скрининга противораковых препаратов». Аналитик . 142 (19): 3579–3587. Бибкод : 2017Ана...142.3579L . дои : 10.1039/C7AN01026E . ISSN 0003-2654 . ПМИД 28852760 .

[10] Ло, Вин-Чунг; Йонг, Кен-Тай; Баев, Александр; Ху, Руи; Прасад, Парас Н. (12 октября 2009 г.). «Биозондирование поверхностного плазмонного резонанса с усилением наночастиц: применение золотых наностержней» . Оптика Экспресс . 17 (21): 19041–19046. Бибкод : 2009OExpr..1719041L . дои : 10.1364/OE.17.019041 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 20372639 .

[11] Эль-Каббаш, Мохамед; и др. (2017). «Настраиваемое черное золото: контроль ближнепольной связи иммобилизованных наночастиц золота, встроенных в капсулы из мезопористого кремнезема». Передовые оптические материалы . 5 (21): 1700617. doi : 10.1002/adom.201700617 . S2CID 103781835 .

[12] Хургин, Джейкоб (2015). «Как бороться с потерями в плазмонике и метаматериалах». Природные нанотехнологии . 10 (1): 2–6. arXiv : 1411.6577 . Бибкод : 2015НатНа..10....2К . дои : 10.1038/nnano.2014.310 . ПМИД 25559961 . S2CID 6906889 .

[13] Эль-Каббаш, Мохамед; и др. (2017). «Сверхбыстрая переходная динамика оптических потерь в экситон-плазмонных наносборках». Наномасштаб . 9 (19): 6558–6566. дои : 10.1039/c7nr01512g . hdl : 11693/37238 . ПМИД 28470299 .

[14] Фанг, Николас; Ли, Хесог; Сунь, Ченг; Чжан, Сян (22 апреля 2005 г.). «Оптическое изображение с ограничением субдифракции с помощью серебряной суперлинзы». Наука . 308 (5721): 534–537. Бибкод : 2005Sci...308..534F . дои : 10.1126/science.1108759 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 15845849 . S2CID 1085807 .

[15] Шалаев Владимир М. (январь 2007 г.). «Оптические метаматериалы с отрицательным преломлением». Природная фотоника . 1 (1): 41–48. Бибкод : 2007NaPho...1...41S . дои : 10.1038/nphoton.2006.49 . ISSN 1749-4893 . S2CID 170678 .

[16] Чанг, Делавэр; Соренсен, AS; Хеммер, PR; Лукин, доктор медицинских наук (3 августа 2006 г.). «Квантовая оптика с поверхностными плазмонами». Письма о физических отзывах . 97 (5): 053002. arXiv : quant-ph/0506117 . Бибкод : 2006PhRvL..97e3002C . doi : 10.1103/PhysRevLett.97.053002 . ПМИД 17026098 . S2CID 7782449 .

[17] Чжоу, Хайбо; Ян, Даньтинг; Ивлева Наталья П.; Мирческу, Николета Э.; Шуберт, Серен; Нисснер, Рейнхард; Визер, Андреас; Хайш, Кристоф (7 июля 2015 г.). «Дискриминация живых и мертвых бактерий in situ без меток с помощью поверхностно-усиленного комбинационного рассеяния». Аналитическая химия . 87 (13): 6553–6561. дои : 10.1021/acs.analchem.5b01271 . ISSN 0003-2700 . ПМИД 26017069 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]