Плазмонные наночастицы

Воспроизвести медиа

FDTD- моделирование взаимодействия импульсной плоской волны с плазмонными наночастицами ^[1]

Плазмонные наночастицы представляют собой частица , у которых электронная плотность может пару с электромагнитным излучением с длиной волны, которые значительно больше , чем частицы из - за природы диэлектрика - металлическая поверхность раздела между средой и частицами: в отличии от чистого металла , где есть максимальный предел на длина волны какого размера может быть эффективно связана в зависимости от размера материала. ^[2]

Что отличает эти частицы от нормальных поверхностных плазмонов, так это то, что плазмонные наночастицы также демонстрируют интересные свойства рассеяния , поглощения и связывания, основанные на их геометрии и относительном положении. ^{[3] [4]} Эти уникальные свойства сделали их объектом исследований во многих областях, включая солнечные элементы, спектроскопию, усиление сигнала для визуализации и лечение рака. ^{[5] [6]} Их высокая чувствительность также определяет их как хороших кандидатов для разработки механо-оптических приборов. ^[7]

Плазмоны - это колебания свободных электронов, которые являются следствием образования диполя в материале из-за электромагнитных волн. Электроны мигрируют в материале, чтобы восстановить его исходное состояние; однако световые волны колеблются, что приводит к постоянному смещению диполя, заставляющему 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 рассеяния или поглощения данной частоты. 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 с образованием кластерных состояний. Симметрия наночастиц и распределение электронов внутри них могут влиять на тип связывания или разрыхления между наночастицами аналогично молекулярным орбиталям. Поскольку свет взаимодействует с электронами, поляризованный свет можно использовать для управления распределением электронов и изменения символа термина Малликен для неприводимого представления. Изменение геометрии наночастиц можно использовать для управления оптической активностью и свойствами системы, но то же самое можно использовать для поляризованного света, понижая симметрию проводящих электронов внутри частиц и изменяя дипольный момент кластера. Эти кластеры можно использовать для управления светом в наномасштабе.^[8]

Теория [ править ]

Этот раздел требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален ( Сентябрь 2013 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

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

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

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

где это волновое число электрического поля, радиус частицы, является относительной диэлектрической проницаемостью в диэлектрической среде и является относительной диэлектрической проницаемостью наночастицы , определяемой${\ displaystyle k}$${\ displaystyle R}$${\ displaystyle {{\ varepsilon} _ {\ rm {medium}}}}$${\ displaystyle {{\ varepsilon} _ {\ rm {частица}}}}$

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

также известная как модель Друде для свободных электронов, где - плазменная частота , - частота релаксации переносимых зарядов и - частота электромагнитного излучения. Это уравнение является результатом решения дифференциального уравнения для гармонического осциллятора с движущей силой, пропорциональной электрическому полю, действующему на частицу. Для более полного вывода см. Поверхностный плазмон .${\ displaystyle {{\ omega} _ {\ rm {p}}}}$${\ displaystyle {\ gamma}}$${\displaystyle \omega }$

Из этого логически следует, что условия резонанса для этих уравнений достигаются, когда знаменатель близок к нулю, так что

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

При выполнении этого условия поперечные сечения максимальны.

Эти поперечные сечения относятся к одиночным сферическим частицам. Уравнения меняются, когда частицы не имеют сферической формы или связаны с одной или несколькими другими наночастицами, например, когда изменяется их геометрия. Этот принцип важен для нескольких приложений.

Строгий электродинамический анализ плазменных колебаний в сферической металлической наночастице конечного размера был проведен в ^[9].

Приложения [ править ]

Плазмонные солнечные элементы [ править ]

Из-за их способности рассеивать свет обратно в фотоэлектрическую структуру и низкого поглощения плазмонные наночастицы изучаются как метод повышения эффективности солнечных элементов. ^{[10] [5]} Увеличение поглощения света диэлектриком увеличивает эффективность. ^[11]

Плазмоны могут быть возбуждены оптическим излучением и индуцировать электрический ток от горячих электронов в материалах, изготовленных из частиц золота и светочувствительных молекул порфина , точных размеров и определенных форм. Длина волны, на которую реагирует плазмон, зависит от размера и расстояния между частицами. Материал изготовлен с использованием сегнетоэлектрической нанолитографии . По сравнению с обычным фотовозбуждением , материал производил в 3-10 раз больше тока. ^{[12] [13]}

Спектроскопия [ править ]

В последние 5 лет плазмонные наночастицы исследовались как метод спектроскопии высокого разрешения . Одна группа использовала наночастицы золота размером 40 нм, которые были функционализированы таким образом, что они будут специфически связываться с рецепторами эпидермального фактора роста, чтобы определить плотность этих рецепторов на клетке. Этот метод основан на том факте, что эффективная геометрия частиц изменяется, когда они появляются в пределах одного диаметра частиц (40 нм) друг от друга. В этом диапазоне количественная информация о плотности EGFR в клеточной мембране может быть получена на основе сдвига резонансной частоты плазмонных частиц. ^[14]

Лечение рака [ править ]

Предварительные исследования показывают, что поглощения золотых наностержней, функционализированных эпидермальным фактором роста, достаточно для усиления эффекта лазерного света малой мощности, так что его можно использовать для целенаправленного лучевого лечения. ^[15]

См. Также [ править ]

• Золотые наностержни
• Локализованный поверхностный плазмон
• Плазмонный солнечный элемент
• Плазмонные метаматериалы

Ссылки [ править ]