Плазмонные наночастицы

Duration: 17 seconds.0:17

FDTD- моделирование взаимодействия импульсной плоской волны с плазмонными наночастицами

Плазмонные наночастицы — это частицы, электронная плотность которых может сочетаться с электромагнитным излучением с длинами волн, которые намного превышают длину волны частицы, из-за природы границы раздела диэлектрик - металл между средой и частицами: в отличие от чистого металла, где существует максимальный предел длина волны какого размера может быть эффективно соединена в зависимости от размера материала.

Что отличает эти частицы от обычных поверхностных плазмонов, так это то, что плазмонные наночастицы также демонстрируют интересные свойства рассеяния , поглощения и связи , основанные на их геометрии и взаимном расположении. Эти уникальные свойства сделали их объектом исследований во многих областях, включая солнечные элементы, спектроскопию, усиление сигнала для визуализации и лечение рака. Их высокая чувствительность также делает их хорошими кандидатами для разработки механооптических приборов.

Плазмоны — это колебания свободных электронов, являющиеся следствием образования диполя в материале под действием электромагнитных волн. Электроны мигрируют в материале, чтобы восстановить его исходное состояние; однако световые волны колеблются, что приводит к постоянному сдвигу диполя, который заставляет электроны колебаться с той же частотой, что и свет. Эта связь возникает только тогда, когда частота света равна или меньше плазменной частоты и максимальна на плазменной частоте, которая поэтому называется резонансной частотой . Сечения рассеяния и поглощения описывают интенсивность данной частоты, которая будет рассеиваться или поглощаться. Для получения таких наночастиц существует множество производственных процессов или методов химического синтеза, в зависимости от желаемого размера и геометрии.

Наночастицы могут образовывать кластеры (так называемые «плазмонные молекулы») и взаимодействовать друг с другом, образуя кластерные состояния. Симметрия наночастиц и распределение электронов внутри них могут влиять на тип связи или характер разрыхления между наночастицами аналогично молекулярным орбиталям. Поскольку свет соединяется с электронами, поляризованный свет можно использовать для управления распределением электронов и изменения символа термина Малликена для неприводимого представления. Изменение геометрии наночастиц можно использовать для манипулирования оптической активностью и свойствами системы, но то же самое можно сделать и с поляризованным светом за счет снижения симметрии проводящих электронов внутри частиц и изменения дипольного момента кластера. Эти кластеры можно использовать для управления светом на наноуровне.

Теория

Квазистатические уравнения, описывающие сечения рассеяния и поглощения для очень маленьких сферических наночастиц:

${{\sigma }_{\rm {scatt}}}={\frac {8\pi }{3}}{{k}^{4}}{{R}^{6}}{{\left|{\frac {{{\varepsilon }_{\rm {particle}}}-{{\varepsilon }_{\rm {medium}}}}{{{\varepsilon }_{\rm {particle}}}+2{{\varepsilon }_{\rm {medium}}}}}\right|}^{2}}$

${{\sigma }_{\rm {abs}}}=4\pi k{{R}^{3}}\operatorname {Im} \left|{\frac {{{\varepsilon }_{\rm {particle}}}-{{\varepsilon }_{\rm {medium}}}}{{{\varepsilon }_{\rm {particle}}}+2{{\varepsilon }_{\rm {medium}}}}}\right|$

где $k$ электрического волновое число поля, $R$ - радиус частицы, ${{\varepsilon }_{\rm {medium}}}$ - относительная проницаемость диэлектрической диэлектрическая среды и ${{\varepsilon }_{\rm {particle}}}$ относительная диэлектрическая проницаемость наночастицы, определяемая формулой

${{\varepsilon }_{\rm {particle}}}=1-{\frac {\omega _{\rm {p}}^{2}}{{{\omega }^{2}}+\mathrm {i} {\omega }{\gamma }}}$

также известная как модель Друде для свободных электронов, где ${{\omega }_{\rm {p}}}$ плазменная частота , ${\gamma }$ – частота релаксации носителей заряда, а $\omega$ – частота электромагнитного излучения. Это уравнение является результатом решения дифференциального уравнения гармонического осциллятора с движущей силой, пропорциональной электрическому полю, которому подвергается частица. Для более подробного вывода см. Поверхностный плазмон .

Отсюда логически следует, что условия резонанса для этих уравнений достигаются, когда знаменатель равен нулю, так что

${{\varepsilon }_{\rm {particle}}}+2{{\varepsilon }_{\rm {medium}}}\approx 0$

При выполнении этого условия сечения максимальны.

Эти сечения предназначены для одиночных сферических частиц. Уравнения изменяются, когда частицы не имеют сферической формы или связаны с одной или несколькими другими наночастицами, например, когда меняется их геометрия. Этот принцип важен для нескольких приложений.

В работе проведен строгий электродинамический анализ плазменных колебаний в сферической металлической наночастице конечного размера.

Приложения

Плазмонные солнечные элементы

Основная статья: Плазмонный солнечный элемент

Из-за их способности рассеивать свет обратно в фотоэлектрическую структуру и низкого поглощения плазмонные наночастицы исследуются как метод повышения эффективности солнечных элементов. Принудительное поглощение большего количества света диэлектриком повышает эффективность.

Плазмоны могут возбуждаться оптическим излучением и индуцировать электрический ток от горячих электронов в материалах, изготовленных из частиц золота и светочувствительных молекул порфина , точных размеров и определенной структуры. Длина волны, на которую реагирует плазмон, зависит от размера и расстояния между частицами. Материал изготовлен с помощью сегнетоэлектрической нанолитографии . По сравнению с обычным фотовозбуждением , материал производил ток в 3-10 раз больший.

Спектроскопия

За последние 5 лет плазмонные наночастицы были исследованы как метод спектроскопии высокого разрешения . Одна группа использовала наночастицы золота размером 40 нм, которые были функционализированы таким образом, что они специфически связывались с рецепторами эпидермального фактора роста, чтобы определить плотность этих рецепторов на клетке. Этот метод основан на том факте, что эффективная геометрия частиц меняется, когда они появляются на расстоянии одного диаметра частицы (40 нм) друг от друга. В этом диапазоне количественную информацию о плотности EGFR в клеточной мембране можно получить на основе сдвига резонансной частоты плазмонных частиц.

Лечение рака

Плазмонные наночастицы продемонстрировали широкий потенциал для создания инновационных методов лечения рака. до сих пор не Несмотря на это, плазмонные наноматериалы используются в клинической практике из-за связанной с ними стойкости металлов. Предварительные исследования показывают, что некоторые наноматериалы, среди которых золотые наностержни, и сверхмалые в наноархитектуре, может преобразовывать ИК- лазерный свет в локализованное тепло, в том числе в сочетании с другими признанными методами лечения рака .

См. также

• Локализованный поверхностный плазмон
• Плазмонные метаматериалы