, поляритон , плазмон , нанофотоника Определение плазмонный резонанс (в случае наноразмерных металлических структур - локализованный плазмонный резонанс) – это возбуждение поверхностного плазмона на его резонансной частоте внешней электромагнитной волной. Описание
Поверхностный плазмон непосредственно не связан с электромагнитным излучением в прилегающей к металлу среде, так как его скорость меньше скорости света. Технический прием, позволяющий использовать поверхностные плазмоны в оптике, основан на использовании полного внутреннего отражения. При полном внутреннем отражении вдоль отражающей свет поверхности распространяется электромагнитная волна, скорость которой меньше скорости света и зависит от угла падения. Если при определенном угле падения скорость этой волны совпадет со скоростью поверхностного плазмона на поверхности металла, то условия полного внутреннего отражения нарушатся, и отражение перестанет быть полным, возникнет поверхностный плазмонный резонанс.
В наноразмерных металлических системах происходит модификация коллективных электронных возбуждений. Коллективное электронное возбуждение металлических наночастиц, размер которых меньше длины волны электромагнитного излучения в окружающей среде - локализованный поверхностный плазмон, - колеблется на частоте, меньшей частоты объемного плазмона в?3 раз, тогда как частота поверхностного плазмона примерно в?2 раз меньше, чем частота объемного плазмона. Из-за малого размера системы требование совпадения скорости распространения возбуждения и электромагнитной волны во внешней среде отпадает, так что локализованные поверхностные плазмоны связаны с излучением непосредственно. При совпадении частоты внешнего поля с частотой локализованного поверхностного плазмона возникает резонанс, приводящий к резкому усилению поля на поверхности частицы и увеличению сечения поглощения.
Свойства локализованных плазмонов критически зависят от формы наночастиц, что позволяет настраивать систему их резонансов на эффективное взаимодействие со светом или элементарными квантовыми системами.
В настоящее время явление поверхностного плазмонного резонанса широко применяется при создании химических и биологических сенсоров. При контакте с биообъектами (ДНК, вирусы, антитела) плазмонные наноструктуры позволяют более чем на порядок увеличить интенсивность сигналов флуоресценции, т.е. значительно расширяют возможности обнаружения, идентификации и диагностики биологических объектов.
- Наймушина Дарья Анатольевна
- Перлин Е.Ю., Вартанян Т.А., Федоров А.В. Физика твердого тела. Оптика полупроводников, диэлектриков, металлов: Учебное пособие. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. - 216 с.
- Pompa P.P., Martiradonna L. et al. Metal-enhanced fluorescence of colloidal nanocrystals with nanoscale control // Nature Nanotechnology - vol. 1, 2006 - P. 126 -130
- Нащекин А.В. и др. Биосенсоры на основе поверхностного плазмонного резонанса // Cборник тезисов секционных докладов, стендовых докладов и докладов участников конкурса научных работ молодых ученых - Второй Международный форум по нанотехнологиям, 2008
Наука
Энциклопедический словарь нанотехнологий. - Роснано . 2010 .
Смотреть что такое "плазмонный резонанс" в других словарях:
Англ. plasmon resonance) возбуждение поверхностного плазмона на его резонансной частоте внешней электромагнитной волной (в случае наноразмерных металлических структур называется локализованным плазмонным резонансом) . Описание Технический … Википедия
Термин нанофармакология Термин на английском nanopharmacology Синонимы Аббревиатуры Связанные термины адгезия, доставка генов, антитело, бактериофаг, белки, биологическая мембрана, гипертермия, ДНК, капсид, квантовая точка, кинезин, клетка … Энциклопедический словарь нанотехнологий
Шестерни молекулярного размера на основе нанотрубок … Википедия
Наношестерни молекулярного размера Нанотехнология междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также… … Википедия
Наношестерни молекулярного размера Нанотехнология междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также… … Википедия
Наношестерни молекулярного размера Нанотехнология междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также… … Википедия
В физике, плазмон квазичастица, отвечающая квантованию плазменных колебаний, которые представляют собой коллективные колебания свободного электронного газа. Содержание 1 Объяснение 2 Возможное использование … Википедия
В физике, плазмон квазичастица, отвечающая квантованию плазменных колебаний, которые представляют собой коллективные колебания свободного электронного газа. Объяснение Плазмоны играет большую роль в оптических свойствах металлов. Свет с частотой … Википедия
Золото - (Gold) Золото это драгоценный металл Золото: стоимость, пробы, курс, скупка, разновидности золота Содержание >>>>>>>>>>>>>>>> Золото это, определение … Энциклопедия инвестора
ПОВЕРХНОСТНЫЙ ПЛАЗМОННЫЙ РЕЗОНАНС НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА В СТЕКЛЕ СТЕХИОМЕТРИСЕСКОГО СОСТАВА ДИСИЛИКАТА ЛИТИЯ
Институт химии силикатов имени И. В.Гребенщикова РАН,
Макарова, Санкт-Петербург, 199034 Россия
e-mail *****@***ru
Поверхностный плазмонный резонанс наночастиц представляет собой резкое увеличение интенсивности поглощения и рассеяния при определенной длине волны падающего света, попадающей в резонанс с собственной частотой колебаний электронного газа на поверхности наночастицы. Параметрами плазмонного резонанса являются: его величина, положение в спектре, полуширина полосы. Они зависят от материала, формы, размера наночастицы, а также от состава окружающей среды. Выполнено исследование, в котором на одних и тех же образцах фотоструктурированных (фоточувствительных) стекол с добавками примеси серебра 0.03Ag (масс.%) сверх 100 % и диоксида церия 0.05 CeO2 (масс.%) сверх 100 %, введенными как порознь, так и совместно, изучены кристаллизационные и оптические свойства стекла стехиометрического состава дисиликата лития 33.5Li2O · 66.5SiO2 (мол.%):
При воздействии ультрафиолетового излучения и термообработки ионы-восстановители отдают электроны ионам серебра, переводя их в атомарное состояние. Рентгеновское излучение введения сенсибилизатора не требует. При повышенной температуре атомы серебра формируют наночастицы, которые служат центрами кристаллизации основной неметаллической фазы дисиликата лития.
Так как максимальная скорость зарождения кристаллов дисиликата лития наблюдается при температуре 460 °С , для исследований оптических свойств стекол мы избрали именно эту температуру. Образцы выдерживали при температуре 460 °С в течение 3 часов. На рисунке 1 представлены зависимости оптической плотности образцов, D , от длины волны для исходного стекла 1 (без примесей и облучения); с примесями серебра и диоксида церия 2; с примесью серебра 3. Образцы 2 и 3 облучены в течение 10 минут. Режим термообработки 460 °С 3 часа.
Как видно из рисунка 1, зависимость оптической плотности образца 1 не имеет максимумов, она плавно уменьшается. Оптическая плотность образца с церием и серебром имеет два максимума: первый - для длины волны 310 нм, второй лежит при λ = 425 нм, и, наконец, оптическая плотность образца с серебром имеет только один максимум при λ = 425 нм. Отсюда можно сделать вывод, что полоса поглощения на длине волны λ = 310 нм связана с присутствием в стекле ионов церия, а длина волны λ = 425 – соответствует плазмонному резонансу наночастиц серебра.
Выводы по работе
Выполнено комплексное исследование, в котором на одних и тех же образцах фотоструктурированного (фоточувствительного) стекла стехиометрического состава дисиликата лития 33.5Li2O·66.5SiO2 (мол.%) с добавками фоточувствительной примеси серебра (0.03 масс.% сверх 100 %) и диоксида церия (0.05 масс.% сверх 100 %), введенными как порознь, так и совместно, изучены кристаллизационные и оптические свойства. Установлено, что полоса поглощения на длине волны λ =310 нм связана с присутствием в стекле ионов церия, а длина волны λ = 425 – соответствует плазмонному резонансу наночастиц серебра.
Скорость зарождения дисиликата лития на частицах серебра для глубины образца 0.52 мм в 500 раз выше скорости зарождения в гомогенных условиях нуклеации , что позволяет рекомендовать литиевосиликатное стекло данного состава использовать в качестве фотоструктурированного материала для получения фоточувствительных стеклов и фотоситаллов.
1. А. Зарождение кристаллов в литиевосиликатных фоточувствительных стеклах. Изд-во LAP LAMBERT Academic Publishing. ISBN: 978-3-8454-1285-6. 148с. Проектный номер (24811). LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG Dudweiler Landstraße 99, 66123 Saarbrücken Germany. 2011г.
2. А., В., А., А. Влияние наночастиц золота на процессы аморфизации и кристаллизации в фотоструктурируемом литиевосиликатном стекле // Физ. и хим. стекла. 2013. Т.39. №4. С.513-521.
Глава 1. Обзор современного состояния исследований по теме диссертации
1.1. Методы расчета спектров поглощения и рассеяния света малыми частицами.
1.1.1. Точное решение задачи для однородной сферы и ее обобщение на случай многослойной сферической частицы
1.1.2. Решение задачи для цилиндров и сфероидов.
1.1.3. Численные методы расчета оптических свойств наноструктур
1.2. Экспериментальные исследования в области гибридных наноструктур и наноматериалов
1.2.1. Синтез и структура металлоорганических наночастиц сферической и вытянутой формы.
1.2.2. Исследование спектров поглощения, люминесценции и рассеяния света наночастицами.
1.3. Гибридные металлоорганические наносистемы и металлические нанооболочки.
1.3.1. Свойства металлических наночастиц. Локализованные поверхностные плазмоны
1.3.2. Металлические нанооболочки с диэлектрическим ядром
1.3.3. Молекулярные Я-агрегаты цианиновых красителей
1.3.4. Металлоорганические наносистемы различной формы и размеров.
Глава 2. Эффекты плазмон-экситонного взаимодействия и размерные явления в процессах поглощения и рассеяния света двухкомпонентными наночастицами металл/Л-агрегат
2.1. Вводные замечания.
2.2. Основные формулы для расчета сечений поглощения и рассеяния света двухслойными частицами.
2.2.1. Исходные выражения для коэффициентов мультиполь-ного разложения. Вклады ТМ и ТЕ мод.
2.2.2. Квазистатические выражения для сечения и дипольной поляризуемости композитной частицы.
2.2.3. Диэлектрические проницаемости ядра, Л-агрегатной оболочки, органической прокладки и окружающей среды
2.3. Основные закономерности в спектрах фотопоглощения гибридных наночастиц металл/Л-агрегат.
2.4. Сравнение вкладов поглощения и рассеяния света в сечение экстинкции.
2.5. Анализ роли размерных эффектов.
2.6. Зависимости частот гибридных мод и интенсивностей пиков поглощения от оптических констант и геометрических параметров наночастицы.
2.6.1. Аналитическая модель для расчета частот гибридных мод
2.6.2. Зависимости частот гибридных мод и интенсивностей максимумов пиков фотопоглощения от силы осциллятора перехода в Л-полосе красителя.
2.6.3. Зависимости положений максимумов спектральных пиков от радиуса ядра и толщины оболочки наночастицы
2.7. Сравнение теории с экспериментом для металлических частиц (Ag, Аи, Си, А1) с Л-агрегатной оболочкой
2.8. Оценка роли нелокальных явлений
2.9. Выводы
Глава 3. Оптические свойства трехслойных металлоорганиче-ских наночастиц с внешней Л-агрегатной оболочкой
3.1. Предварительные замечания.
3.2. Исходные формулы для сечений поглощения и рассеяния света трехкомпонентными частицами.
3.2.1. Коэффициенты мультипольного разложения для вкладов ТМ и ТЕ мод
3.2.2. Формулы квазистатичсского приближения
3.3. Спектры поглощения и структура поля для частиц с металлическим ядром, внешней J-агрегатной оболочкой и промежуточным пассивным слоем.
3.3.1. Анализ поведения спектров фотопоглощения при изменении геометрических параметров частицы.
3.3.2. Сравнение результатов теории с экспериментом
3.4. Спектры и структура поля в металлических нанобо-лочках с диэлектрическим ядром, покрытых внешним слоем молекулярных J-агрегатов.
3.5. Металлические наноболочки с полупроводниковым ядром и частицы по лу проводник/метал л/J-агрегат.
3.5.1. Особенности спектров фотопоглощения гибридных на-ночастиц с высоким показателем преломления ядра
3.5.2. Резонансы Ми в наношарах с кремниевым ядром и металлической оболочкой
3.6. Выводы
Глава 4. Изучение влияния формы гибридных наночастиц на их спектральные характеристики
4.1. Расчет и анализ спектров экстинкции сфероидальных наночастиц в квазистатическом приближении.
4.1.1. Поведение спектров фотопоглощения серебряных наночастиц сфероидальной формы при изменении величины отношения длин большой и малой полуосей.
4.1.2. Влияние плазмон-экситонного взаимодействия в наноча-стицах металл/Л-агрегат на спектры экстинкции сфероидальных наночастиц.
4.2. Расчет сечений поглощения и рассеяния света гибридными наночастицами сфероидальной, цилиндрической и гантелеобразной формы методом FDTD.
4.2.1. Адаптация метода FDTD для расчета оптических свойств композитных наноструктур
4.2.2. Результаты расчета спектральных характеристик нано-частиц сфероидальной формы
4.2.3. Результаты расчета спектральных характеристик наночастиц сложной формы.
4.3. Спектральные особенности распространения электромагнитного поля вдоль цепочки наночастиц.
4.3.1. Модель цепочки наночастиц.
4.3.2. Результаты расчетов.
4.4. Выводы
Рекомендованный список диссертаций
Оптические свойства наночастиц золота и серебра в связи с задачами биодиагностики 2007 год, кандидат физико-математических наук Трачук, Любовь Анатольевна
Плазмонно-резонансные наночастицы для биомедицинских приложений 2010 год, доктор физико-математических наук Хлебцов, Борис Николаевич
Фотоиндуцированная перестройка молекул и молекулярных агрегатов в ближнем поле металлических наноструктур 2013 год, кандидат физико-математических наук Торопов, Никита Александрович
Взаимодействие низкоэнергетического лазерного излучения с гетерогенными средами на основе растворов органических красителей и металлических наноструктур 2012 год, кандидат физико-математических наук Панамарёв, Николай Семёнович
Исследование оптических свойств полупроводниковых квантовых точек в ближнем поле плазмонных наночастиц 2016 год, кандидат физико-математических наук Баканов, Алексей Георгиевич
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теоретическое исследование спектров поглощения и рассеяния света гибридными металлоорганическими наночастицами»
Актуальность и новизна решаемых в диссертации задач определяется здесь тем, что до недавнего времени эффекты взаимодействия фрснкелевских экси-тонов с поверхностными плазмонами исследовались в основном в гибридных металлоорганических наноструктурах с планарной геометрией (например, в тонких металлических пленках, покрытых молекулярными J-агрегатами. В этом случае электромагнитная связь экситонов Френкеля осуществляется с плазмонами, распространяющимися вдоль плоской поверхности раздела металл/диэлектрик или металл/полупроводник. Однако, в ряде статей была продемонстрирована J-агрегация цианинового красителя на сферической поверхности наночастиц благородного металла в водном растворе, что открыло принципиально новую возможность изучать эффекты когерентной связи молекулярных экситонов с локализованными плазмонами. Актуальной задачей является также разработка методик компьютерного моделирования подобного рода гибридных наночастиц и композитных наноматсриалов, а также создание численных алгоритмов и конкретных программ расчета их разнообразных физических параметров Это касается, в первую очередь, адаптации уже разработанных численных методов решения задач электродинамики (широко используемых в радиофизике) под поставленные в диссертации задачи в области нанооптики и нанофотоники. Речь здесь идет, в первую очередь, о методе конечных разностей во временной области (Finite Difference Time Domain Method - FDTD).
Резюмируя сказанное выше, можно сделать вывод о том, что тематика диссертации соответствует актуальным научно-техническим проблемам и задачам, которые стоят перед современной нанофотоникой и индустрией нано-систем, наноматсриалов и наноустройств.
Цель работы
Цель работы состоит в проведении численных расчетов и анализе спектров поглощения и рассеяния света металлоорганических наночастиц различного состава, формы и размеров и в изучении на этой основе эффектов взаимодействия экситонов Френкеля с дипольными и мультипольными локализованными плазмонами. В качестве конкретных объектов исследования в диссертации будут изучаться в том числе двухкомпонентные наночастицы, состоящис из металлического ядра, покрытого слоем молекулярных Л-агрегатов цианиновых красителей, трехкомпонентные наночастицы, состоящие из металлической сердцевины, диэлектрической пассивной прокладки и внешнего Л-агрегатного слоя, металлические нанооболочки с диэлектрическим или полупроводниковым ядром и внешним слоем молекулярных Л-агрегатов, а также многослойные мсталлоорганичсские наносистсмы В цели работы входит детальное изучение поведения сечений и интенсивностей фотопоглощения, рассеяния и экстинкции указанных наночастиц в зависимости от геометрических параметров системы и оптических констант составляющих частицу материалов объяснение имеющихся экспериментальных данных по указанным процессам, а также разработка эффективных способов управления спектральными характеристиками и эффектами плазмон-экситонного взаимодействия в такого рода гибридных металлоорганических наноструктурах
Решаемые задачи
В соответствии с поставленными целями решаемые в диссертации конкретные задачи могут быть кратко сформулированы следующим образом
1 Разработка численных алгоритмов расчета пространственной структуры электромагнитных полей, тензоров поляризуемостсй и спектральных характеристик двухкомпонентных, трехкомпонентных и многослойных наночастиц сферической, сфероидальной и сложной формы
2 Проведение численных расчетов структуры полей и сечений поглощения и рассеяния света исследуемыми гибридными мсталлоорганичсскими нано-частицами и металлическими нанооболочками с диэлектрической или полупроводниковой сердцевиной, покрытыми внешним слоем молекулярных Л-агрегатов цианиновых красителей
3 Разработка аналитической модели расчета собственных частот гибридных мод композитной наносистсмы и сравнение ее результатов с численными расчетами положений спектральных пиков фотопоглощения и рассеяния света Расчет и анализ спектрального распределения интенсивностей поглощения и рассеяния света
4 Выяснение основных закономерностей в эффектах взаимодействия френ-келевских экситонов с дипольными и мультипольными локализованными поверхностными плазмонами в режимах слабой и сильной связи Анализ характсра плазмон-экситонной связи в зависимости от значения силы осциллятора перехода в J-полосе красителя, формы и геометрических параметров системы.
5. Исследование роли размерных явлений и выяснение их влияния на оптические свойства исследуемых гибридных наноструктур. Оценка влияния нелокальных эффектов в диэлектрической функции металлического ядра на-ночастицы на спектр поглощения света
6. Сравнение результатов расчетов с имеющимися экспериментальными данными и объяснение результатов экспериментов по спектрам экстинкции гибридных мсталлоорганичсских наночастиц
7. Разработка эффективных способов управления оптическими свойствами, характером и величиной константы плазмон-экситонного взаимодействия в изучаемых гибридных наноструктурах.
Научная новизна работы
В целом, научная новизна работы состоит в решении ряда новых задач в оптике композитных металлоорганических наноструктур и в получении оригинальных результатов по их спектральным характеристикам, а также в изучении характера плазмон-экситонной связи при взаимодействии световых полей с гибридными наночастицами различного состава, формы и размеров.
В частности, в работе в широком диапазоне длин волн и геометрических параметров системы получены новые теоретические данные по спектральным характеристикам гибридных двухкомпонентных и трехкомпонентных металлоорганических наночастиц различной формы и размеров, а также покрытых J-агрегатами красителей нанооболочек с диэлектрическими (полупроводниковыми) сердцевинами. В качестве металлической компоненты наночастицы в расчетах использовались при этом Ag, Au, Си и Al, а в качестве органической компоненты набор различных цианиновых красителей (ТС, ОС, PIC, NK2567; соответствующие структурные формулы приведены ниже в Главе 2), молекулярные J-агрсгаты которых имеют пики поглощения в различных спектральных диапазонах видимого спектра и существенно различные значения силы осциллятора перехода в J-полосе поглощения.
Это позволило впервые получить самосогласованную физическую картину изучаемых процессов поглощения и рассеяния света такого рода гибридными наночастицами и установить влияние на их оптические свойства эффектов взаимодействия экситонов Френкеля как с электро-дипольными плазмонами, так и с локализованными плазмонами более высокого порядка мультиполь-ности Качественно новые закономерности в плазмон-экситонной связи обнаружены также в случае, когда частота плазмонного резонанса металлической нанооболочки с диэлектрическим или полупроводниковым ядром совпадает с центральной частотой поглощения света в се внешней Л-агрегатной оболочке Это приводит к радикальному изменению характера спектра поглощения всей гибридной наносистемы
Оригинальным результатом работы является разработка простой аналитической модели расчета гибридных мод двухкомпонентных сферических на-ночастиц с металлическим ядром, покрытых внешним слоем молекулярных Л-агрегатов красителей, а также детальный анализ распределения интенсив-ностей и положений максимумов спектральных пиков исследуемых наноси-стем, основанный на точных численных расчетах для частиц сферической и сфероидальной формы
Проведенные в диссертации расчеты впервые позволили установить влияние разнообразных размерных явлений на ширины пиков и распределение интенсивностей в спектрах поглощения света гибридными металлоорганичс-скими наночастицами При этом отдельно выяснена роль как размерных эффектов, обусловленных зависимостями поляризуемостсй гибридной наноча-стицы от радиуса ее ядра и толщин внешних слоев, так и эффектов, связанных с увеличением константы скорости затухания свободных электронов в ядре металлорганичсской наночастицы в результате их рассеяния на сферической границе раздела мсталл/Л-агрегат в случае, когда радиус частицы становится значительно меньше средней длины свободного пробега электрона в объемном металлическом образце
Новые результаты работы получены также при изучении влияния формы наночастицы на характер спектров поглощения и рассеяния света и на связанные с этим эффекты плазмон-экситонной связи в гибридных мстал-лоорганических наноструктурах и металлических нанооболочках с внешним слоем молекулярных Л-агрсгатов
Для расчета спектральных характеристик гибридных наноструктур и изучения перечисленных выше эффектов в диссертации разработаны специальные численные алгоритмы расчетов пространственной структуры полей, поляризусмостей, а также сечений поглощения и рассеяния света. Они базируются на теории Ми, обобщенной на случай многослойных сферических нано-частиц и модифицированной с учетом размерных эффектов в диэлектрической функции, на использовании ряда достаточно громоздких решений для двухслойного сфероида, а также на адаптации метода конечных разностей во временной области (РБТО) под решение поставленных в работе задач.
Научная и практическая ценность
Научная и практическая ценность работы в значительной мерс определяется актуальностью тематики и новизной решаемых задач В целом, значимость работы для нанофотоники связана с получением новых результатов в области изучения оптических свойств гибридных наноструктур, синтезированных на основе металлов и молекулярных Л-агрсгатов красителей, с целью их потенциального использования для создания новых композитных нано-матсриалов и для разработки эффективных фотонных, оптоэлсктронных и светоизлучающих устройств.
Полученные результаты существенно расширяют представления о характере и механизмах взаимодействия света с композитными мсталлоорганиче-скими наноструктурами. Они позволили дать адекватное объяснение ряда экспериментально наблюдаемых явлений в спектрах поглощения и рассеяния света, обусловленных плазмон-экситонным взаимодействием в двухслойных и трехслойных наноструктурах различного состава, формы и размеров, созданных на основе металлов, упорядоченных молекулярных Л-агрегатов, а также ряда пассивных органических диэлектриков и полупроводниковых материалов с высоким показателем преломления. Значительная часть полученных теоретических результатов непосредственно сориентирована на постановку новых экспериментов по изучению оптических свойств гибридных металло-органичсских наноструктур.
Для интенсивно развивамой области - наноплазмоники наибольший интерес представляют полученные в диссертации новые результаты по эффектам электромагнитной связи экситонов Френкеля в гибридных металлоорганиче-ских наночастицах, сферической, сфероидальной и более сложной формы с локализованными в ядре частицы (или в ее промежуточной металлической наноболочке) поверхностными плазмонами различного порядка мультипольности в режимах слабой и сильной связи. Эти результаты существенно дополняют проведенные ранее в литературе обширные исследования эффектов взаимодействия экситонов Френкеля или Ванье-Мотта с бегущими поверхностными плазмонами в композитных наносистемах с планарной геометрией (например, в покрытых Л-агрегатами красителей металлических пленках), либо эффектов, наблюдаемых в литературе при взаимодействии экситонов в полупроводниковых квантовых точках с изолированными от них металлическими наночастицами или нанопроволоками. В этой связи важным представляются также и полученные в диссертации результаты, касающиеся выяснения роли размерных явлений в процессах с участием гибридных металлоорганичсских наночастиц.
Для создания гибридных наноструктур и наноматериалов с заданными оптическими свойствами практически значимыми являются предложенные в работе способы управления спектральными характеристиками металлоорганичсских наночастиц и металлических нанооболочек, покрытых Л-агрегатами красителей. Практически важным для решения ряда аналогичных задач в оптике композитных наноструктур являются и разработанные методики и численные алгоритмы расчетов полей и спектральных характеристик наночастиц различного размера и формы.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Варьирование геометрических параметров 2-х- и 3-х слойных металлоорганичсских наночастиц приводит к радикальному перераспределению ин-тенсивностей спектральных пиков поглощения и рассеяния света, к сильному смещению положений их максимумов и к изменению общего количества пиков. Это позволяет управлять спектральными характеристиками таких наночастиц и указывает пути создания на их основе гибридных наноструктур с заданными оптическими свойствами.
2. Влияние размерных эффектов на характер спектров поглощения и рассеяния металлоорганических наночастиц сводится к трем основным факторам: 1) зависимости дипольных поляризуемостей от общего объема частицы, а также от отношения се внутреннего и внешнего радиусов; 2) увеличению роли эффектов взаимодействия мультипольных плазмонов с экситонами Френкеля при возрастании размеров частицы; 3) влиянию размера ядра частицы или толщины металлической нанооболочки на ее диэлектрическую функцию из-за увеличения коэффициента затухания свободных электронов при их рассеянии на границе ядра и оболочки, когда размер частицы становится меньше длины свободного пробега электрона в объемном металлическом образце
3. Изменение формы гибридной наночастицы от сферической до сфероидальной или гантелеобразной приводит к появлению новых закономерностей в спектрах поглощения и рассеяния света. Возникающие при этом особенности в поведении спектров связаны, в частности, с расщеплением пиков локализованного плазмонного резонанса в металлическом ядре частицы (или в металлической нанооболочке) на продольный и поперечный и с их взаимодействием с экситонами Френкеля во внешнем Л-агрсгатном слое. Распределение интенсивности в максимумах и направление смещения новых пиков сильно зависит от поляризации падающего свста
4 Характер спектров поглощения и рассеяния света металлоорганичсскими наночастицами и возникновение того или иного режима плазмон-экситонной связи существенно зависит от величины силы осциллятора перехода в Л-полосс красителя и от расстояния АЛ между центром полосы поглощения молекулярного Л-агрегата и максимумом пика плазмонного резонанса в металлическом ядре (или промежуточном металлическом слое) частицы Режим сильной плазмон-экситонной связи реализуется, когда соответствующие длины волн указанных пиков близки. Это приводит к появлению спектрального минимума (в окрестности максимума Л-полосы поглощения красителя) и двух практически равных по интенсивности пиков фотопоглощения гибридной частицы.
5. Разработанный подход и проведенные численные расчеты позволяют дать адекватное объяснение имеющихся экспериментальных данных по спектрам фотопоглощения гибридных наночастиц, содержащих металлическую компоненту и упорядоченные молекулярные Л-агрсгаты красителей, и создают теоретическую основу для постановки новых экспериментов, направленных на изучение эффектов взаимодействия локализованных плазмонов с экситонами Френкеля в металлоорганических наноструктурах различной формы, размеров и состава.
Достоверность результатов работы
Проведенные в диссертации расчеты и анализ результатов выполнены на основе самосогласованных аналитических и численных методов и подходов в теории поглощения и рассеяния света. В расчетах использовались современные и надежные данные по оптическим константам составляющих гибридные наночастицы материалов. Достоверность результатов работы подтверждена сравнением результатов теоретических расчетов с имеющимися экспериментальными данными, а в отдельных случаях и с результатами расчетов других авторов. Спектральные характеристики ряда изучаемых гибридных наноча-стиц были рассчитаны в диссертации различными методами, продемонстрировавшими идентичные результаты.
Апробация работы
Сделано 12 докладов на российских и международных конференциях, симпозиумах и школах-ссминарах, в том числе на Международной конференции "Комбинационное рассеяние - 80 лет исследований" (КР-80, Москва, 2008); на XX Конференции по фундаментальной атомной спектроскопии (ФАС-ХХ, Воронеж, 2013); на III Симпозиуме по когерентному излучению полупроводниковых соединений и структур (Москва-Звенигород, 2011); на 53 научной конференции МФТИ " Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук" (Москва-Долгопрудный-Жуковский, 2010); на 55 научной конференции МФТИ "Современные проблемы фундаментальных и прикладных, естественных и технических наук в современном информационном обществе11 (Москва-Долгопрудный-Жуковский, 2012); на III Всероссийской молодежной школе-семинаре с Международным участием "Инновационные Аспекты Фундаментальных Исследований по Актуальным Проблемам Физики11 (ФИАН, Москва - Технопарк ФИАН, г. Троицк, Московская обл., 2009); на XIII Школе молодых ученых 11Актуальные проблемы физики" и IV Школе-семинаре " Инновационные аспекты фундаментальных исследований" (Москва-Звенигород,
2010); на XIV Школе молодых ученых "Актуальные проблемы физики" (Звенигород, 2012).
Результаты работы докладывались также на кафедре "Квантовая радиофизика" МФТИ, а также на научных семинарах в Оптическом отделе им. Г.С. Ландсберга и в отделе Люминесценции им. С.И. Вавилова ФИАН.
Диссертация представляет собою результат самостоятельной научной работы автора, выполненной под руководством его научного руководителя. Личный вклад автора диссертации состоит, в частности, в самостоятельном проведении всех численных расчетов, в активном участии в обсуждении постановки решаемых конкретных задач, в совместном с соавторами анализе всех полученных результатов работы и в совместном написании статей. В целом, в представленных в диссертации результатах вклад автора является решающим.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста и заключения. Общий объем диссертации - 141 стр., включая 60 рисунков и 2 таблицы. Список литературы содержит 118 наименований.
Похожие диссертационные работы по специальности «Оптика», 01.04.05 шифр ВАК
Взаимодействие лазерных импульсов нано- и фемтосекундной длительности с микро- и нанодисперсными средами 2013 год, доктор физико-математических наук Землянов, Алексей Анатольевич
Образование плазмонно-резонансных наноструктур и их модификация в дисперсных системах под действием оптического излучения 2013 год, кандидат физико-математических наук Грачев, Алексей Сергеевич
Коллоидные структуры с различной морфологией: синтез, оптические свойства и оптодинамические явления 2014 год, кандидат физико-математических наук Ершов, Александр Евгеньевич
Взаимосвязь структурных и оптических характеристик самоорганизующихся плазмонно-резонансных наноколлоидов 2011 год, кандидат физико-математических наук Герасимов, Валерий Сергеевич
Дисперсионные свойства многослойных периодических наноструктур и цепочек кремниевых наночастиц 2014 год, кандидат физико-математических наук Савельев, Роман Сергеевич
Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Медведев, Антон Сергеевич, 2013 год
1. Optical Near Fields: 1.troduction to Classical and Quantum Theories of Electromagnetic Phenomena at the Nanoscale / Ed. by Ohtsu M. and Kobayashi K.; Berlin: Springer-Verlag, 2004.
2. Новотный JI., Хехт Б. Основы нанооптики. М.: Физматлит, 2011.
3. Климов В.В. Наноплазмоника. М.: Физматлит, 2010.
4. Progress m Nano-Electro-Optics V: Nanophotomc Fabrications, Devices, Systems, and Their Theoretical Bases / Ed. by Ohtsu M.; Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Verlag, 2011.
5. Бочкарев M.H., Витухновский А.Г., Каткова M.A. Органические свсто-излучающие диоды (OLED). Нижний Новгород: ДЕКОМ, 2011.
6. Air-Stable Operation of Transparent, Colloidal Quantum Dot Based LEDs with a Unipolar Device Architecture / V. Wood, M.J. Panzer, J.-M. Carugc et al. // Nano Lett. 2010. - Vol. 10. - No. 1. - P. 24-29.
7. Emergence of Colloidal Quantum-Dot Light-Emitting Technologies / Y. Shirasaki, G.J. Supran, M.G. Bawcndi, V. Bulovic // Nature Photonics. 2013. - Vol. 7. - No. 1. - P. 13-23.
8. Электролюминесценция квантовых точек CdSe/CdS и перенос энергии экситонного возбуждения в органическом светоизлучаюгцем диоде / А.А. Вагценко, B.C. Лебедев, А.Г. Витухновский и др. // Письма в ЖЭТФ. 2012. - Т. 96ю - № 2. - С. 118-122.
9. Improved Current Extraction from ZnO/PbS Quantum Dot Heterojunction Photovoltaics Using a M0O3 Interfacial Layer /PR Brown, R R Lunt, N Zhao et al //Nano Lett -2011 Vol 11 - No 7 - P 2955-2961
10. Low-Temperature Solution-Processed Solar Cells Based on PbS Colloidal Quantum Dot/CdS Hctcrojunctions / L-Y Chang, RR Lunt, PR Brown et al // Nano Lett 2013 - Vol 13 - No 3 - P 994-999
11. Nanophotomcs design, fabrication, and operation of nanometric devices using optical near fields / M Ohtsu, T Kawazoe, S Sangu, T Yatsui // IEEE J Select Top Quantum Electron 2002 - Vol 8 - No 4 - P 839-862
12. Nanophotomc switch using ZnO nanorod doublc-quantum-well structures / T Yatsui, S Sangu, T Kawazoe ct al // Appl Phys Lett 2007 - Vol 90 - No 22 -P 223110
13. An Integrated Electrochromic Nanoplasmomc Optical Switch / A Agrawal, С Susut, G Stafford et al // Nano Lett 2011 - Vol 11 - No 7 - P 2774-2778
14. Das В С, Pal A J Enhancement of electrical bistabihty through semiconducting nanoparticles for organic memory applications // Phil Trans R Soc A 2009 - Vol 367 - No 1905 -P 4181-4190
15. Ролдугин В И Квантоворазмерныс металлические коллоидные системы // Успехи химии 2000 - Т 69 - № 10 - С 899-923
16. Daniel М -С, Astruc D Gold Nanoparticles Assembly, Supramolecular Chemistry, Quantum-Size-Relatcd Properties, and Applications toward Biology, Catalysis, and Nanotechnology // Chem Rev 2004 - Vol 104 - No 1 - P 293-346
17. Chemistry and Properties of Nanocrystals of Different Shapes / С Burda, X Chen, R Narayanan, M A El-Sayed // Chem Rev 2005 - Vol 105 -No 4 - P 1025-1102
18. Semiconductor quantum dots and metal nanoparticles: syntheses, optical properties, and biological applications / V. Biju, T. Itoh, A. Anas ct al. // Anal. Bioanal. Chcm. 2008. - Vol. 391. - No. 7. - P. 2469-2495.
19. Хлсбцов Н.Г. Оптика и биофотоника наночастиц с плазмонным резонансом // Квантовая электроника. 2008. - Т. 38. - № 6. - С. 504-529.
20. Light passing through subwavelength apertures / F.J. Garcia-Vidal, L. Martin-Moreno, T.W. Ebbesen, L. Kuiperes // Rev. Mod. Phys. 2010.- Vol. 82. No. 1. - P. 729-787.
21. Васильев Р.Б., Дирин Д.Н., Гаськов A.M. Коллоидные полупроводниковые нанокристаллы с пространственным разделением носителей заряда: рост и оптические свойства // Успехи химии. 2011. - Т. 80. - № 12. -С. 1190-1210.
22. Nanophotomcs and Nanofabrication / Ed. by M. Ohtsu; Wcnheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KgaA, 2009.
23. Cai W., Shalacv V. Optical Metamatcrials: Fundamentals and Applications.- New York: Springer, 2010.25. basing m metallic-coated nanocavities / M.T. Hill ct al. // Nature Photon.- 2007. Vol. 1. - No. 10. - P. 589-594.
24. Laser action m nanowires: Observation of the transition from amplified spontaneous emission to laser oscillation / M.A. Zimmler, J. Bao, F. Capasso ct al. // Appl. Phys. Lett. 2008. - Vol. 93. - No. 5. - P. 051101.
25. Observation of Stimulated Emission of Surface Plasmon Polaritons / M. Ambati, S.H. Nam, E. Ulin-Avila et al. // Nano Lett. 2008. - Vol. 8. - No. 11 - P. 3998-4001.
26. Demonstration of a spaser-bascd nanolaser / M.A. Noginov, G. Zhu, A.M. Bclgravc et al. // Nature. 2009. - Vol. 460. - No. 27. - P. 11101113.
27. Проценко И.И. Теория дипольного нанолазера // УФН. 2012. - Т. 182.- № 10. С. 1116-1122.
28. Mie G. Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Mctallösungcn // Ann. d. Physik IV. 1908. - Vol. 25. - No. 3. - P. 377-445.
29. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами.- М.: Мир, 1986.
30. Aden A.L., Kerker М. Scattering of Electromagnetic Waves from Two Concentric Spheres // J. Appl Phys. 1951. - Vol. 22. - No. 10. - P. 1242-1246.
31. Giittler A. Mie"s theory of diffraction by dielectric spheres with absorbing cores, and its significance for problems of interstellar matter and of the atmospheric aerosol // Ann. Phys. (Leipzig). 1952. - Vol. 11. - P. 65-98.
32. Bhandari R. Scattering coefficients for a multilaycrcd sphere: analytic expressions and algorithms // Appl. Opt. 1985. - Vol. 24. - No. 13. -P. 1960-1967.
33. Sinzig J., Quinten M. Scattering and absorption by spherical multilayer particles // Appl. Phys. A. 1994. - Vol. 58. - No. 2. - P. 157-162.
34. Voshchmmkov N.V., Farafonov V.G. Optical properties of spheroidal particles // Astrophys. and Sp. Sei. 1993. - Vol. 204. - No. 1. - P. 19-86.
35. Wang D.S., Kerker M. Absorption and luminescence of dyc-coated silver and gold particles // Phys. Rev. B. 1982. - Vol. 25. - No. 4. - P. 2433-2449.
36. Purcell E.M., Pennypacker C.R. Scattering and Absorption of Light by Nonspherical Dielectric Grains // Astrophys. J. 1973. - Vol. 186. - P. 705-714.
37. Draine B.T., Goodmann J. Beyond Clausius-Mossotti: Wave propagation on a polarizable point lattice and the discrete dipole approximation // Astrophys. J. 1993. - Vol. 405. - No. 2. - P. 685-697.
38. Draine B.T., Flatau P.J. Discrete-dipole approximation for scattering calculations // J. Opt. Soc. Am. A. Vol. 11. - No. 4. - P. 1491-1499.
39. Hafner Ch. The Generalized Multipole Technique for Computational Electromagnetics. Boston: Artech House, 1990.
40. Hafner Ch. Post-modern Electromagnetics. Using Intelligent MaXwell Solvers. Chichester: Wiley, 1999.
41. Generalized Multipole Techniques for Electromagnetic and Light Scattering / Ed. by T. Wriedt; Amsterdam: Elsevier, 1999.
42. Design of a Near-Field Probe for Optical Recording Using a 3-Dimensional Finite Difference Time Domain Method / K. Hirota, T.D. Milster, Y. Zhang, J.K. Erwin // Japan. J. Appl. Phys. 2000. - Vol. 39. - No. 2. - P. 973-975.
43. Near-Field Optical Simulation of Super-Resolution Near-Field Structure Disks / T. Nakano, Y. Yamakawa, J. Tominaga, N. Atoda // Japan. J. Appl. Phys. 2001. - Vol. 40. - No. 3. - P. 1531-1535.
44. Numerical Simulation on Read-Out Characteristics of the Planar Aperture-Mounted Head with a Minute Scattercr / K. Tanaka, T. Ohkubo, M. Oumi et al. // Japan. J. Appl. Phys. 2001. - Vol. 40. - No. 3. - P. 1542-1547.
45. Yec K.S. Numerical solution of initial boundary value problems involving maxwell"s equations in isotropic media // IEEE Transactions on Antenna and Propagation. 1966. - Vol. 14. - No. 3. - P. 302-307.
46. Taflove A., Hagnes S.C. Computational Electrodynamics. The Finitc-Difference Time Domain Method, 3rd cd. Boston: Artcch House, 2005.
47. Berenger J.P. An effective PML for the absorption of cvanesccnt waves m waveguides // IEEE Microwave and Guided Wave Letters. 1998. - Vol. 8.- No. 5. P. 188-190
48. URL. http //ab-initio.mit.edu/wiki/index php/Meep
49. Preparation and Optical Absorption Spectra of Dye-Coated Au, Ag, and Au/Ag Colloidal Nanoparticles m Aqueous Solutions and m Alternate Assemblies / N Komctani, M. Tsubonishi, T. Fujita ct al. // Langmuir.- 2001. Vol. 17. - No. 3. - P. 578-580
50. Yoshida A., Yonezawa Y., Kometam N. Tuning of the Spectroscopic Properties of Composite Nanoparticles by the Insertion of a Spacer Layer Effect of Exciton-Plasmon Coupling // Langmuir 2009. - Vol. 25. - No. 12. - P. 6683-6689.
51. Hiramatsu H., Osterloh F.E. A Simple Large-Scale Synthesis of Nearly Monodispcrse Gold and Silver Nanoparticles with Adjustable Sizes and with Exchangeable Surfactants // Chcm Mater. 2004 - Vol. 16. - No 13. - P. 2509-2511.
52. Anisotropic Metal Nanoparticles" Synthesis, Assembly, and Optical Applications / С J. Murphy, Т.К. Sau, A.M. Golc et al. //J. Phys. Chem. В 2005. - Vol. 109. - No. 29. - P. 13857-13870.
53. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия / Я.С Уманский, Ю.А. Скаков, А.Н. Иванов, JI Н. Расторгуев, М.: Металлургия, 1982.
54. Wiesendanger R Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy. -Cambridge. Cambridge Universtiy Press, 1994
55. Novotny L., Hecht В. Principles of Nano-optics. Cambridge Cambridge Universtiy Press, 2006
56. Оптические свойства композитных наночастиц благородных металлов, покрытых мономолекулярным слоем J-агрсгата органического красителя / B.C. Лебедев, А С. Медведев, А.Г. Витухновский и др. // Квантовая электроника. 2010. - Т. 40. - № 3. - С 246-253.
57. Als-Nielscn J., McMorrow D Elements of modern X-ray Physics. 2nd ed. -Chichester: Wiley, 2011
58. Surface Science- An Introduction / К Oura, V.G. Lifshits, A A. Saranm et al.; Berlin Springer, 2003.
59. Krcibig U., Vollmer M. Optical Properties of Metal Clusters. Berlin Springer, 1995
60. Kerker M. The Scattering of Light and Other Electromagnetic Radiation. -New York Academic Press, 1969
61. Crcighton J.A., Eadon D G Ultraviolet-visible absorption spectra of the colloidal metallic elements //J. Chem. Soc , Faraday Trans 1991 - Vol. 87. - No. 24. - P. 2881-3891.
62. Ashcroft N.W., Mermin N D. Solid State Physics. Philadelphia Saunders College, 1976цами металл/Л-агрегат // Квантовая электроника. 2012. - Т. 42. - № 8. - С. 701-713.
63. Molecular Plasmonics with Tunable Exciton-Plasmon Coupling Strength in J-Aggregate Hybridized Au Nanorod Assemblies / G.A. Wurtz, P.R. Evans, W. Hendren et al. // Nano Lett. 2007. - Vol. 7. - No. 5. - P. 1297-1303.
64. Yoshida A., Uchida N., Kometani N. Synthesis and Spectroscopic Studies of Composite Gold Nanorods with a Double-Shell Structure Composed of Spacer and Cyanine Dye J-Aggregate Layers // Langmuir. 2009. - Vol. 25. - No. 19 - P. 11802-11807.
65. Взаимодействие плазмонов наночастиц золота с агрегатами поли-метиновых красителей: наночастицы "невидимки" / Б.И. Шапиро, Е.С. Кольцова, А.Г. Витухновский и др. // Рос. Нанотехнологии. 2011. - Т. 6. - № 7-8. - С. 83-87.
66. Plexcitonic Nanoparticles: Plasmon-Exciton Coupling in Nanoshell-J-Aggregate Complexes / N.T. Fofang, T.-H. Park, O. Neumann et al. // Nano Lett. 2008. - Vol. 8. - No. 10. - P. 3481-3487.
67. Manjavacas A., Garcia de Abajo F.J., Nordlander P. Quantum Plexcitonics: Strongly Interacting Plasmons and Excitons // Nano Lett. 2011. - Vol. 11. - No. 6. - P. 2318-2323.
68. Walker B.J., Bulovic V., Bawendi M.G. Quantum Dot/J-Aggregate Blended Films for Light Harvesting and Energy Transfer // Nano Lett. 2010. - Vol. 10. - No. 10. - P. 3995-3999.
69. Twenty-Fold Enhancement of Molecular Fluorescence by Coupling to a J-Aggregate Critically Coupled Resonator / G.M. Akselrod, B.J. Walker, W.A. Tisdale // ACS Nano. 2012. - Vol. 6. - No. 1. - P. 467-471.
70. Atwater H.A., Polman A. Plasmonics for improved photovoltaic devices // Nat. Mater. 2010. - Vol. 9. - No. 3. - P. 205-213.
71. Plasmon Enhanced Spectroscopy of N,N"-Dialkylquinacridones Used as Codopants in OLEDs / E. del Puerto, C. Domingo, S. Sanchez-Cortes et al. // J. Phys. Chem. C. 2011. - Vol. 115. - No. 34. - P. 16838-16843.
72. Enhanced Red-Light Emission by Local Plasmon Coupling of Au Nanorods in an Organic Light-Emitting Diode / T. Tanaka, Y. Totoki, A. Fujiki et al. // Applied Physics Express. 2011. - Vol. 4. - No. 3. - P. 032105.
73. Nanoengineering of optical resonances / S.J. Oldenburg, R.D. Averitt, S.L. Westcott, N.J. Halas // Chem. Phys. Lett. 1998. - Vol. 288. - No. 2-4. - P. 243-247.
74. A Hybridization Model for the Plasmon Response of Complex Nanostructures / E. Prodan, C. Radloff, N.J. Halas, P. Nordlander // Science. 2003. - Vol. 302. - No. 5644. - P. 419-422.
75. Plasmon hybridization in complex nanostructures / J.M. Steele, N.K. Grady, P. Nordlander, N.J. Halas // Surface Plasmon Nanophotonics. Vol. 131.- P. 183196.
76. Optical Properties of Spherical and Oblate Spheroidal Gold Shell Colloids / J.J. Penninkhof, A. Moroz, A. van Blaaderen, A. Polman //J. Phys. Chem. C. 2008. - Vol. 112. - No. 11. - P. 4146-4150.
77. Localized Resonance of Composite Core-Shell Nanospheres, Nanobars and Nanospherical Chains / Y.-F. Chau, Z.-H. Jiang, H.-Y. Li et al. // Progress In Electromagnetics Research B. 2011. - Vol. 28. - P. 183-199.
78. Cole J.R., Halas N.J. Optimized plasmonic nanoparticle distributions for solar spectrum harvesting // Appl. Phys. Lett. 2006. - Vol. 89. - No. 15.- P. 153120.
79. Prodan E., Nordlander P. Plasmon hybridization in spherical nanoparticles // J. Chem. Phys. 2004. - Vol. 120. - No. 11. - P. 5444-5454.
80. Brandl D.W., Mirin N.A., Nordländer P. Plasmon Modes of Nanosphere Trimcrs and Quadrumers // J. Phys. Chem. B. 2006. - Vol. 110. - No. 25. - P. 12302-12310.
81. Ruppm R., Englman R. Optical lattice vibrations in finite ionic crystals: II // J. Phys. C. 1968. - Vol. 1. - No. 3. - P. 630-643.
82. Fuller K.A. Scattering of light by coated spheres // Opt. Lett. 1993. -Vol. 18. - No. 4. - P. 257-259.
83. Irimajiri A., Hanai Т., Inouyc A. A dielectric theory of "multi-stratified shell" model with its application to a lymphoma cell //J. Theor. Biol. -Vol. 78. No. 2. - P. 251-269.
84. Handbook of Optical Constants of Solids II / Ed. by E.D. Palik; San Diego Academic, 1991.
85. Пайнс Д., Нозьер Ф. Теория квантовых жидкостей. М. Мир, 1967.
86. Johnson Р.В., Christy R.W. Optical Constants of the Noble Metals // Phys. Rev. B. 1972. - Vol. 6. - No. 12. - P. 4370-4379.
87. Александров А.Ф., Рухадзе A.A. Лекции по электродинамике плазмо-подобных сред. М.: Издательство Московского университета. Физический факультет МГУ, 1999.
88. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1982.
89. Кауе G.W.C., Laby Т.Н. Tables of Physical and Chemical Constants 16th ed. New York: Longman, 1995.
90. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М. Наука, 1973.
91. Aluminum Nanoparticles as Substrates for Metal-Enhanced Fluorescence m the Ultraviolet for the Label-Free Detection of Biomolecules /M.H. Chowdhury, K. Ray, S.K. Gray, J. Pond, J.R. Lakowicz // Anal. Chem. 2009. - Vol. 81. - No. 4. - P. 1397-1403.
92. Scaife B.K.P Principles of Dielectrics. Oxford: Oxford Science Publications, 1998.
93. Aspnes D.E., Studna A. A. Dielectric functions and optical parameters of SI, GE, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, and InSb from 1.5 to 6.0 eV // Phys. Rev. B. 1983. - Vol. 27. - No. 2. - P. 985-1009.
94. Forouhi A.R., Bloomer I. Optical properties of crystalline semiconductors and dielectrics // Phys. Rev. B. 1988. - Vol. 38. - No. 3. - P. 1865-1874.
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.
1Металлические наночастицы, демонстрирующие наличие поверхностного плазмонного резонанса на границе раздела металла с диэлектриком, имеют большой потенциал для использования в качестве высокочувсвительных сенсоров для биологических и медицинских исследований. Поверхностный плазмонный резонанс возникает на границе раздела металла и диэлектрика. Частота поверхностного плазмонного резонанса зависит как от диэлектрических проницаемостей граничащих поверхностей, так и от формы поверхности. Зависимость положения максимума поверхностного плазмонного резонанса от геометрических размеров наночастиц позволяет изготавливать наночастицы для биологических исследований, резонансная частота которых совпадает с собственной частотой колебаний различных биологических реагентов. В данной работе рассматриваются наночастицы сферической формы, состоящие из полупроводникового ядра, окруженного металлической оболочкой. Сложная зависимость диэлектрической проницаемости полупроводника от частоты может приводить к возникновению дополнительного поверхностного плазмонного резонанса на различных частотах. В работе рассматривается тензор диэлектрической проницаемости полупроводника и учитывается частотная зависимость компонент тензора. Диэлектрическая проницаемость металла рассчитывается в рамках формализма Друде. В работе проведен расчет сечения поглощения наночастиц с золотой оболочкой и показано, что зависимость компонент тензора диэлектрической проницаемости полупроводника от величины внешнего магнитного поля позволяет менять положение максимума максимума поверхностного плазмонного резонанса путем изменения магнитного поля. Таким образом, показано, что наночастицы с полупроводниковым ядром и металлической оболочкой могут служить сенсорами для разных биомолекул в зависимости от величины магнитного поля
наночастицы
поверхностный плазмонный резонанс
полупроводник
модель друде
1. Басс, Ф.Г. Высокочастотные свойства полупроводников со сверхрешётками / Ф.Г. Басс, А.А. Булгаков, А.П. Тетервов – М: Наука, 1989. – 288 с.
2. Борен, К. Поглощение и рассеяние света малыми частицами / К. Борен, Д. Хафмен. – М.: Мир, 1986. – 340 с.
3. Головкина М.В. Отражение электромагнитной волны от системы сверхпроводник – полупроводник / М.В. Головкина // Современные наукоемкие технологии. 2009. № 8. С. 8-10.
4. Дыкман Л.А. Биомедицинское применение многофункциональных золотых нанокомпозитов / Л.А. Дыкман, Н.Г. Хлебцов // Успехи биологической химии. – 2016. – Т. 56. – С. 411-450.
5. Климов, В. В. Наноплазмоника / В.В. Климов. – М.: Физматлит, 2009. – 480 с.
6. Синтез наночастиц магнетит – золото, имеющих структуру типа ядро – оболочка / П.Г. Рудаковская [и др.] // Вестник Московского университета. Серия 2. Химия. – 2015. –Т. 56. – № 3 – С. 181-189.
7. Golovkina M.V. Periodic semiconductor structures with metamaterials. Proceedings International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON-2009. Tomsk, 2009. – С. 133-137.
Наночастицы и нанокомпозитные структуры на их основе в последнее время все больше попадают под пристальное внимание ученых и инженеров. Успехи, которых достигла в настоящее время технология изготовления наночастиц, позволяют изготавливать наночастицы радиусом в несколько нанометров сферической и эллипсоидальной формы, а также наночастицы сложной структуры с оболочкой. Наночастицы и нанокомпозитные материалы на их основе находят применение для изготовления твердотельных устройств фотоники и оптоэлектроники, таких как фильтры, усилители, а также могут использоваться в качестве высокоэффективных высокочувствительных сенсоров . Наночастицы из металла или наночастицы с металлической оболочкой, обладающие поверхностным плазмонным резонансом, находят применение в разных областях науки и техники, таких как химия, физика, биология, медицина, нанотехнологии, биотехнологии и т.д. Большим потенциалом для использования в биологии и медицине обладают также магнитные наночастицы. Благодаря высокой удельной намагниченности и возможности связывания на поверхности биологических молекул магнитные наночастицы на основе оксида железа являются перспективным материалом для разработки селективных контрастирующих агентов для магнито-резонансной томографии . Для решения биохимических задач различной степени сложности необходимо сочетание магнитных свойств и особых свойств поверхности, которые наблюдаются у наночастиц. Наночастицы магнетита, функционализированные биомолекулами (антителами, ферментами, нуклеотидами и др.) для нацеливания или узнавания биологических систем, могут быть использованы в качестве материалов для адресной доставки лекарственных препаратов .
Особого внимания заслуживают наночастицы типа ядро-оболочка, обладающие способностью комбинировать свойства нескольких материалов в одной частице. Так, использование магнетита в качестве ядра для материалов типа ядро-оболочка позволяет избежать всех недостатков, которые демонстрируют коллоидные растворы наночастиц оксида железа. Они являются токсичными, демонстрируют склонность к быстрой агрегации в различных биологических растворах, трудность функционализации поверхности . Для преодоления этих недостатков можно использовать наночастицы с оболочкой. В качестве оболочки используют неорганические материалы, обеспечивающие стабильность, простоту функционализации поверхности и биосовместимость. Подходящим и оптимальным материалом для образования оболочки наночастиц является золото, обладающее биосовместимостью и высокой стабильностью .
Коллоидные растворы частиц золота малых размеров использовали в лечебных целях еще в древнейшие времена. Однако, лишь в последние десятилетия, благодаря появлению новых данных об уникальных оптических и физико-химических свойствах золотых наночастиц, началось их активное применение в различных биологических, медицинских целях как в экспериментальной биологии и медицине, так и на практике .
Интерес к золотым и другим частицам благородных металлов (например, наночастицам из серебра) обусловлен их уникальными оптическими свойствами, связанными с возбуждением локализованных плазмонных резонансов в металлических наночастицах, взаимодействующих со светом . Эти возбуждения поверхностных плазмонов приводят к целому классу плазмонно-усиленных линейных свойств, таких как резонансное поглощение, рассеяние, генерация сильных локальных полей, гигантское комбинационное рассеяние .
В нанотехнологии, которая находит применение в биомедицинских исследованиях, применяются золотые и серебряные наночастицы, которые хорошо адсорбируют различные биологические реагенты. Так, к металлическим наночастицам можно прикрепить биологические макромолекулы, молекулы, работающие в качестве зонда, например, антитела. Наноструктуры, содержащие наночастицу в качестве ядра с прикрепленными к ним биологическими молекулами, называют биоконъюгатами или конъюгатами. При этом прикрепление биомакромолекул к наночастицам называется функционализацией . В таком случае биомакромолекула конъюгата используется для того, чтобы прикрепиться к биологическому объекту, который является мишенью. Золотые наночастицы находят широкое применение в биомедицине также из-за хорошей биологической совместимости, низкой химической реакционной способности, а также из-за хорошей функционализации. Однако некоторые металлы, например, серебро, могут демонстрировать высокую химическую активность, поэтому такие металлические наночастицы, которые работают на основе поверхностного плазмонного резонанса, необходимо окружать оболочкой из диэлектрика, которая будет защищать их от контакта с биологической анализируемой средой. Таким образом, для практических применений подходят наночастицы с оболочкой: диэлектрические наночастицы с оболочкой из золота, обеспечивающие хорошую функционализацию, или металлические наночастицы с диэлектрической оболочкой, предотвращающей химический контакт с аналитом. Однако необходимо помнить о том, что увеличение толщины диэлектрической оболочки наночастиц приводит к уменьшению чувствительности, то есть к уменьшению сдвига максимума плазмонного резонанса при изменении показателя преломления анализируемого раствора. Поэтому важной задачей является оптимизация параметров наночастиц и подбор их геометрических размеров и толщины оболочки, которые обеспечат повышение чувствительности спектрального сдвига максимума поверхностного плазмонного резонанса.
Для задач биомедицины применяются полупроводниковые наночастицы, которые могут использоваться в качестве люминесцентных зондов или меток, находящих применение, например, для флуоресцентной томографии. Причем использование полупроводниковых наночастиц с оболочкой из более широкозонного полупроводника приводит к усилению люминесценции.
В данной работе рассматриваются наночастицы сферической формы, имеющие полупроводниковое ядро, окруженные металлической оболочкой. Диэлектрическая проницаемость металла рассматривается в рамках модели Друде и выражается следующей формулой:
где eр - решеточная часть диэлектрической проницаемости,
wр - плазменная частота для металла,
g - столкновительная частота для металла. Столкновительная частота определяет наличие затухания в среде.
Тензор диэлектрической проницаемости полупроводника записывается в известном виде :
, (2)
где компоненты тензора диэлектрической проницаемости имеют следующий вид :
Здесь wрр - плазменная частота для полупроводника,
wс - циклотронная частота,
n - столкновительная частота для полупроводника,
e0р - решеточная часть диэлектрической проницаемости для полупроводника.
Результаты расчета частотной зависимости компонент тензора диэлектрической проницаемости модельного полупроводника представлен на рисунках 1 и 2.
Из рисунков 1 и 2 видно, что зависимость компонент тензора диэлектрической проницаемости e^ и eа от частоты носит сложный характер. При определенной частоте, зависящей от циклотронной частоты wс, наблюдается смена знака у компонент тензора. Если ядро наночастицы выполнено из полупроводника, то такое изменение знака компонент e^ и eа приводит к изменению частоты поверхностного плазмонного резонанса на границе раздела с металлической оболочкой и даже к возникновению новых частот поверхностного плазмонного резонанса.
Рис.1. График зависимости компоненты тензора e^ диэлектрической проницаемости полупроводника от частоты. Сплошная кривая: wс=1,5×1014 рад/с, точечный пунктир: wс=2×1014 рад/с, длинный пунктир: wс=4×1014 рад/с
Рис.2. График зависимости компоненты тензора eа диэлектрической проницаемости полупроводника от частоты. Сплошная кривая: wс=1,5×1014 рад/с, точечный пунктир: wс=2×1014 рад/с, длинный пунктир: wс=4×1014 рад/с
Циклотронная частота для полупроводника вычисляется следующим образом (в системе СГС):
где Н - напряженность внешнего магнитного поля.
Так как циклотронная частота полупроводника зависит от величины внешнего магнитного поля, то, меняя магнитное поле, можно изменять частоту поверхностного плазмонного резонанса в наночастицах с металлической оболочкой. Таким образом, наночастицы с оболочкой и полупроводниковым ядром обладают следующим важным свойством: электродинамическими параметрами таких наночастиц можно управлять, меняя величину внешнего магнитного поля.
Нахождение положения максимума поверхностного плазмонного резонанса, который наблюдается на сферической границе раздела полупроводник - металл, является сложной задачей, которая не имеет аналитического решения. Для численного определения частоты поверхностного плазмонного резонанса проведем расчет сечения поглощения наночастицы с металлической оболочкой в соответствии с методикой, описанной в работах , . Результаты расчета сечения поглощения представлены на рисунке 3.
Рис.3. Расчет сечения поглощения полупроводниковой наночастицы с золотой оболочкой. Радиус ядра 27 нм, толщина оболочки 17 нм. Сплошная кривая: wс=1,5×1014 рад/с, точечный пунктир: wс=2×1014 рад/с
Из рисунка 3 хорошо видно, что увеличение циклотронной частоты полупроводника от 1,5×1014 рад/с до 2×1014 рад/с, наблюдаемое при увеличении внешнего магнитного поля, приводит к сдвигу максимума поверхностного плазмонного резонанса от 1,35 мкм до 1,58 мкм.
В работе исследуются наночастицы с оболочкой, которые могут применяться в качестве сенсоров для биологических и медицинских исследований. Рассмотрены наночастицы, состоящие из полупроводникового ядра и металлической оболочки. С учетом диэлектрической проницаемости металла, рассчитываемой в рамках модели Друде, и частотной зависимости компонент тензора диэлектрической проницаемости полупроводника проведены расчеты сечения поглощения рассматриваемых наночастиц с золотой оболочкой. Показано, что изменение магнитного поля влияет на положение поверхностного плазмонного резонанса в наночастицах. Полученные в работе результаты могут использоваться для создания контрастирующих агентов для магнито-резонансной томографии или в качестве биологических меток.
Библиографическая ссылка
Оркина В.Е., Головкина М.В. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ НАНОЧАСТИЦ С ОБОЛОЧКОЙ ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ // Международный студенческий научный вестник. – 2018. – № 2.;URL: http://eduherald.ru/ru/article/view?id=18408 (дата обращения: 17.12.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
