Resonancia de plasmón. Propiedades ópticas de las nanopartículas Resonancias de dispersión y absorción localizadas en nanopartículas.

, polariton , plasmón , nanofotónica Definición La resonancia de plasmón (en el caso de estructuras metálicas de tamaño nanométrico, resonancia de plasmón localizada) es la excitación de un plasmón superficial en su frecuencia de resonancia mediante una onda electromagnética externa. Descripción

El plasmón superficial no está directamente relacionado con la radiación electromagnética en el entorno adyacente al metal, ya que su velocidad es menor que la velocidad de la luz. Una técnica que permite el uso de plasmones superficiales en óptica se basa en el uso de la reflexión interna total. En la reflexión interna total, una onda electromagnética se propaga a lo largo de una superficie reflectante de la luz, cuya velocidad es menor que la velocidad de la luz y depende del ángulo de incidencia. Si, en un cierto ángulo de incidencia, la velocidad de esta onda coincide con la velocidad del plasmón superficial sobre la superficie del metal, entonces se violarán las condiciones para la reflexión interna total y la reflexión dejará de ser completa, y una superficie Surgirá la resonancia de plasmón.

En los sistemas metálicos de tamaño nanométrico se produce una modificación de las excitaciones electrónicas colectivas. La excitación electrónica colectiva de nanopartículas metálicas cuyo tamaño es menor que la longitud de onda de la radiación electromagnética en el medio ambiente (plasmón de superficie localizado) oscila a una frecuencia menor que la frecuencia del plasmón en masa en un factor de aproximadamente 3, mientras que la frecuencia del plasmón de superficie es aproximadamente 2 veces menor que la frecuencia del plasmón en masa. Debido al pequeño tamaño del sistema, se elimina el requisito de que coincidan la velocidad de propagación de la excitación y la onda electromagnética en el entorno externo, de modo que los plasmones superficiales localizados se asocian directamente con la radiación. Cuando la frecuencia del campo externo coincide con la frecuencia del plasmón superficial localizado, se produce una resonancia que provoca un fuerte aumento del campo en la superficie de la partícula y un aumento de la sección transversal de absorción.

Las propiedades de los plasmones localizados dependen críticamente de la forma de las nanopartículas, lo que permite sintonizar el sistema de sus resonancias para una interacción efectiva con la luz o los sistemas cuánticos elementales.

Actualmente, el fenómeno de la resonancia de plasmones superficiales se utiliza ampliamente en la creación de sensores químicos y biológicos. En contacto con objetos biológicos (ADN, virus, anticuerpos), las nanoestructuras plasmónicas permiten aumentar la intensidad de las señales de fluorescencia en más de un orden de magnitud, es decir. ampliar significativamente las capacidades de detección, identificación y diagnóstico de objetos biológicos.

Naimushina Daria Anatolyevna

Enlaces

Perlin E.Yu., Vartanyan T.A., Fedorov A.V. Física del estado sólido. Óptica de semiconductores, dieléctricos, metales: Libro de texto. - San Petersburgo: Universidad Estatal de San Petersburgo ITMO, 2008. - 216 p.
Pompa P.P., Martiradonna L. et al. Fluorescencia mejorada con metales de nanocristales coloidales con control a nanoescala // Nature Nanotechnology - vol. 1, 2006 - pág. 126-130
Nashchekin A.V. y otros Biosensores basados en resonancia de plasmón superficial // Colección de resúmenes de informes seccionales, presentaciones de carteles e informes de participantes en el concurso de trabajos científicos de jóvenes científicos - Segundo Foro Internacional de Nanotecnología, 2008.

Ilustraciones Etiquetas Secciones Métodos para el diagnóstico e investigación de nanoestructuras y nanomateriales
La ciencia

Diccionario enciclopédico de nanotecnologías. - Rusnano. 2010 .

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Cuando la radiación electromagnética interactúa con nanopartículas metálicas, los electrones de conducción móviles de las partículas se desplazan con respecto a los iones metálicos cargados positivamente de la red. Este desplazamiento es de naturaleza colectiva, en el que el movimiento de los electrones es consistente en fase. Si el tamaño de las partículas es mucho menor que la longitud de onda de la luz incidente, entonces el movimiento de los electrones conduce a la aparición de un dipolo. Como resultado, surge una fuerza que tiende a devolver los electrones a la posición de equilibrio. La magnitud de la fuerza recuperadora es proporcional a la magnitud del desplazamiento, como ocurre con un oscilador típico, por lo que podemos hablar de la presencia de una frecuencia natural de oscilaciones colectivas de electrones en una partícula. Si la frecuencia de las oscilaciones de la luz incidente coincide con la frecuencia natural de las oscilaciones de los electrones libres cerca de la superficie de una partícula metálica, se observa un fuerte aumento en la amplitud de las oscilaciones del "plasma de electrones", cuyo análogo cuántico es un plasmón. Este fenómeno se llama resonancia de plasmón superficial (SPR). Aparece un pico en el espectro de absorción de luz. Para partículas de metales nobles con un tamaño del orden de 10 a 100 nm, la SPR se observa en la región visible del espectro y en el rango del infrarrojo cercano. Su posición e intensidad dependen del tamaño, la forma de las nanopartículas y el entorno dieléctrico local. Las nanopartículas esféricas de plata con un diámetro de 10 a 25 nm tienen un pico de absorción cercano a 400 a 420 nm (Fig. 1a), las nanopartículas esféricas de oro - 520 nm, las nanopartículas de óxido de cobre (I) - 450 a 700 nm.

Los nanorods tienen simetría anisotrópica y, por lo tanto, se observan dos picos en el espectro de absorción, correspondientes a los plasmones transversal y longitudinal. El plasmón transversal da un pico de absorción a 400 nm, y el longitudinal puede aparecer en el rango de 500-1000 nm. es decir. V

región del infrarrojo cercano. Su posición está determinada por los factores dimensionales de la nanobarra, es decir, la relación entre el largo y el ancho.

λ, nm

Fig.1a Espectro de absorción óptica de nanopartículas de plata.

Fig.1b Espectro de absorción óptica de nanopartículas de plata en forma de varilla.

Parte experimental Procesamiento y presentación de resultados de laboratorio.

El informe debe proporcionar:

Esquema y ecuación de la reacción para la síntesis de nanopartículas.

Registros de cambios de color de la solución durante la síntesis.

Registros de la influencia (o falta de influencia) de la concentración de un agente reductor y/o estabilizador sobre el tamaño y estabilidad de las nanopartículas resultantes.

Espectro de absorción de una solución de nanopartículas.

Conclusiones sobre la forma y tamaño de las nanopartículas en la solución sintetizada.

Trabajo de laboratorio No. 1 Obtención de nanopartículas de Ag mediante el método del citrato

Este método permite obtener partículas de plata relativamente grandes con un diámetro de 60 a 80 nm. Absorción máxima 420 nm.

Reactivos y equipos.

Reactivos: Solución 0,005 M de nitrato de plata AgNO 3, citrato de sodio Na 3 C 6 H 5 O 7 ∙6H 2 O (solución al 1%), agua destilada.

Equipo: balanza, espectrofotómetro, cubetas de cuarzo con un camino óptico de 1 cm, matraces de 200 ml, vasos de precipitados de 50 ml, agitador calentado, probeta graduada.

Orden de trabajo

Prepare una solución 0,005 M (0,085%) de AgNO 3 en agua. Para ello, disuelva 0,0425 g de la sustancia en 50 ml de agua destilada.

Transfiera 25 ml de la solución preparada a un matraz y agregue 100 ml de agua.

Prepare una solución de citrato de sodio al 1% disolviendo 0,5 g en 50 ml de agua.

Calentar 125 ml de la solución de nitrato de plata resultante hasta que hierva en una placa calefactora con un agitador.

Tan pronto como la solución comience a hervir, agregue 5 ml de solución de citrato de sodio al 1%.

Calentar la solución hasta que el color se vuelva amarillo pálido.

Deje que la solución se enfríe a temperatura ambiente con el agitador en marcha.

Llevar el volumen de la solución, que ha disminuido debido a la ebullición, a 125 ml con agua.

Registre el espectro de absorción de la solución coloidal resultante en el rango de 200 – 800 nm. Utilice agua como solución de referencia.

Tome el espectro de absorción después de un día o una semana. Compara los espectros resultantes. ¿Qué se puede decir sobre la estabilidad de las nanopartículas? ¿Qué factores determinan la estabilidad de las nanopartículas obtenidas mediante este método? ¿Qué otros métodos se conocen para aumentar la estabilidad de las nanopartículas metálicas? ¿Por qué se almacena una solución acuosa de nitrato de plata en un recipiente oscuro en el laboratorio?

Añadir gota a gota 5 ml de HCl diluido a 5 ml de una solución de las nanopartículas de plata obtenidas. Repita el experimento con ácido acético CH 3 COOH. Observe la disolución gradual de las nanopartículas de plata y la formación de un precipitado blanco al agregar ácido clorhídrico y la decoloración de la solución al agregar ácido acético. Anota conclusiones, observaciones y ecuaciones de reacción en tu cuaderno.

La espectroscopia de absorción óptica es uno de los métodos más antiguos para el análisis fisicoquímico de biomoléculas. Sin embargo, su baja sensibilidad y resolución espacial no permiten estudiar procesos que involucran bajas concentraciones de proteínas. Los científicos de Berkeley lograron "prolongar la vida" del método óptico combinándolo con otro principio utilizado en la investigación biofísica y bioquímica: resonancia de plasmón. Resultó que pueden aparecer "caídas" específicas en el espectro de dispersión elástica de las nanopartículas de oro introducidas en una célula, correspondientes a las frecuencias a las que se absorben algunas moléculas biológicas (por ejemplo, metaloproteínas). Los investigadores llaman a este efecto migración de energía de resonancia de plasmón y explicarlo por la interacción directa de las partículas de oro con las moléculas de proteínas adsorbidas en ellas. El método propuesto tiene una sensibilidad sin precedentes: puede utilizarse para determinar, si no moléculas de proteínas individuales, al menos sus decenas.

La espectrometría óptica permite estudiar proteínas que tienen densidad óptica en el rango visible de radiación electromagnética. (cromoproteínas) midiendo la absorción de luz en ciertos ( "característica" para moléculas específicas) longitudes de onda. Sin embargo, tales mediciones requieren concentraciones de proteína bastante altas y la resolución espacial de este método es muy baja (generalmente se estudian soluciones de moléculas ubicadas en cubetas espectrométricas, y simplemente no hay duda de en qué parte de la célula se encuentran exactamente las moléculas en estudio). situado). Los métodos basados en mediciones son mucho más sensibles fluorescencia(junto con la microscopía confocal, permiten determinar la ubicación de las moléculas dentro de una célula viva), pero aquí es necesario modificar las moléculas en estudio con moléculas marcadas especiales, lo que no siempre es deseable o posible. Otro método utilizado a menudo en biología, la espectroscopia de resonancia magnética nuclear, también requiere concentraciones bastante grandes de proteínas y, a menudo, etiquetado isotópico de un objeto que es complejo en los sistemas vivos.

La metodología propuesta por los científicos de Berkeley (artículo publicado en la revista Métodos de la naturaleza) se basa en la introducción de partículas nanoscópicas de oro de tamaño controlado (20-30 nm) en células vivas. Los electrones en la superficie de partículas hechas de metales como el oro o la plata oscilan colectivamente en respuesta a la irradiación con luz de una longitud de onda específica, un fenómeno conocido como resonancia de plasmón(ver barra lateral). Las frecuencias de resonancia de estas nanopartículas son mucho más fáciles de registrar que la señal óptica débil (debido a concentraciones muy bajas) de las moléculas biológicas, lo que permite realizar mediciones.

Nos paramos en el avión
Con ángulo de reflexión variable,
observando la ley
Poniendo paisajes en movimiento.

repitiendo las palabras
Desprovisto de todo significado
Pero sin tensión,
Sin tension.
B.G.

Literatura

Gang Logan Liu, Yi-Tao Long, Yeonho Choi, Taewook Kang, Luke P Lee. (2007). La extinción de plasmones cuantificados sumerge la nanoespectroscopia mediante transferencia de energía por resonancia de plasmones. Métodos nat. 4 , 1015-1017;
Una nueva técnica de nanopartículas captura reacciones químicas en una sola célula viva con una claridad asombrosa. (2007). Ciencia diaria.

Las nanopartículas metálicas que exhiben resonancia de plasmón superficial en la interfaz metal-dieléctrico tienen un gran potencial para su uso como sensores altamente sensibles para investigaciones biológicas y médicas. La resonancia de plasmón superficial se produce en la interfaz entre el metal y el dieléctrico. La frecuencia de resonancia del plasmón superficial depende tanto de las constantes dieléctricas de las superficies adyacentes como de la forma de la superficie. La dependencia de la posición del máximo de resonancia del plasmón superficial de las dimensiones geométricas de las nanopartículas permite producir nanopartículas para la investigación biológica, cuya frecuencia de resonancia coincide con la frecuencia natural de vibraciones de diversos reactivos biológicos. En este trabajo, consideramos nanopartículas esféricas que consisten en un núcleo semiconductor rodeado por una capa metálica. La compleja dependencia de la constante dieléctrica de un semiconductor de la frecuencia puede provocar la aparición de resonancia de plasmón superficial adicional a varias frecuencias. El trabajo considera el tensor constante dieléctrico de un semiconductor y tiene en cuenta la dependencia de la frecuencia de los componentes tensoriales. La constante dieléctrica de un metal se calcula mediante el formalismo de Drude. El trabajo calcula la sección transversal de absorción de nanopartículas con capa de oro y muestra que la dependencia de los componentes del tensor constante dieléctrico del semiconductor del campo magnético externo permite cambiar la posición del máximo de resonancia del plasmón superficial cambiando el campo magnético. . Así, se ha demostrado que las nanopartículas con un núcleo semiconductor y una cubierta metálica pueden servir como sensores para diferentes biomoléculas dependiendo de la intensidad del campo magnético.

nanopartículas

resonancia de plasmones superficiales

semiconductor

modelo idiota

1. Bajo, F.G. Propiedades de alta frecuencia de semiconductores con superredes / F.G. Bajo, A.A. Bulgákov, A.P. Tetervov – M: Nauka, 1989. – 288 p.

2. Boren, K. Absorción y dispersión de luz por partículas pequeñas / K. Boren, D. Huffman. – M.: Mir, 1986. – 340 p.

3. Golovkina M.V. Reflexión de una onda electromagnética de un sistema superconductor-semiconductor / M.V. Golovkina // Alta tecnología moderna. 2009. No. 8. P. 8-10.

4. Dykman L.A. Aplicación biomédica de nanocompuestos de oro multifuncionales / L.A. Dykman, N.G. Khlebtsov // Avances en química biológica. – 2016. – T. 56. – P. 411-450.

5. Klimov, V.V. Nanoplasmónica / V.V. Klímov. – M.: Fizmatlit, 2009. – 480 p.

6. Síntesis de nanopartículas de magnetita-oro con estructura núcleo-cubierta / P.G. Rudakovskaya [y otros] // Boletín de la Universidad de Moscú. Serie 2. Química. – 2015. –T. 56. – N° 3 – Pág. 181-189.

7. Golovkina M.V. Estructuras semiconductoras periódicas con metamateriales. Actas de la Conferencia Internacional de Siberia sobre Control y Comunicaciones, SIBCON-2009. Tomsk, 2009. – págs. 133-137.

Las nanopartículas y las estructuras nanocompuestas basadas en ellas están cada vez más bajo la atención de científicos e ingenieros. Los avances que ha logrado actualmente la tecnología de fabricación de nanopartículas permiten producir nanopartículas con un radio de varios nanómetros, de forma esférica y elipsoidal, así como nanopartículas de estructura compleja con cáscara. Las nanopartículas y los materiales nanocompuestos basados en ellas se utilizan para la fabricación de dispositivos fotónicos y optoelectrónicos de estado sólido, como filtros, amplificadores, y también pueden usarse como sensores altamente eficientes y altamente sensibles. Las nanopartículas metálicas o nanopartículas con cubierta metálica que tienen resonancia de plasmón superficial se utilizan en diversos campos de la ciencia y la tecnología, como la química, la física, la biología, la medicina, la nanotecnología, la biotecnología, etc. Las nanopartículas magnéticas también tienen un gran potencial para su uso en biología y medicina. Debido a su alta magnetización específica y su capacidad para unirse a la superficie de moléculas biológicas, las nanopartículas magnéticas a base de óxido de hierro son un material prometedor para el desarrollo de agentes de contraste selectivos para imágenes por resonancia magnética. Para resolver problemas bioquímicos de diversos grados de complejidad, se requiere una combinación de propiedades magnéticas y propiedades superficiales especiales que se observan en las nanopartículas. Las nanopartículas de magnetita funcionalizadas con biomoléculas (anticuerpos, enzimas, nucleótidos, etc.) para apuntar o reconocer sistemas biológicos se pueden utilizar como materiales para la administración dirigida de fármacos.

Merecen especial atención las nanopartículas núcleo-cubierta, que tienen la capacidad de combinar las propiedades de varios materiales en una sola partícula. Por tanto, el uso de magnetita como núcleo para materiales núcleo-cubierta evita todas las desventajas que presentan las soluciones coloidales de nanopartículas de óxido de hierro. Son tóxicos, muestran una tendencia a la agregación rápida en diversas soluciones biológicas y es difícil funcionalizar la superficie. Para superar estas desventajas, se pueden utilizar nanopartículas recubiertas. Los materiales inorgánicos se utilizan como cubiertas para garantizar la estabilidad, la facilidad de funcionalización de la superficie y la biocompatibilidad. Un material adecuado y óptimo para la formación de capas de nanopartículas es el oro, que es biocompatible y muy estable.

Las soluciones coloidales de pequeñas partículas de oro se han utilizado con fines medicinales desde la antigüedad. Sin embargo, solo en las últimas décadas, gracias a la aparición de nuevos datos sobre las propiedades ópticas y fisicoquímicas únicas de las nanopartículas de oro, comenzó su uso activo para diversos fines biológicos y médicos, tanto en biología y medicina experimentales como en la práctica.

El interés en el oro y otras partículas de metales nobles (como las nanopartículas de plata) surge de sus propiedades ópticas únicas asociadas con la excitación de resonancias de plasmones localizadas en nanopartículas metálicas que interactúan con la luz. Estas excitaciones de los plasmones de superficie conducen a toda una clase de propiedades lineales mejoradas por los plasmones, como la absorción resonante, la dispersión, la generación de fuertes campos locales y la dispersión Raman gigante.

La nanotecnología, que se utiliza en la investigación biomédica, utiliza nanopartículas de oro y plata que adsorben bien diversos reactivos biológicos. Así, se pueden unir macromoléculas biológicas, moléculas que funcionan como sonda, por ejemplo anticuerpos, a nanopartículas metálicas. Las nanoestructuras que contienen una nanopartícula como núcleo con moléculas biológicas adheridas se denominan bioconjugados o conjugados. En este caso, la unión de biomacromoléculas a nanopartículas se denomina funcionalización. En tal caso, la biomacromolécula del conjugado se utiliza para unirse a la entidad biológica que es el objetivo. Las nanopartículas de oro también se utilizan ampliamente en biomedicina debido a su buena biocompatibilidad, baja reactividad química y buena funcionalización. Sin embargo, algunos metales, como la plata, pueden exhibir una alta reactividad química, por lo que dichas nanopartículas metálicas, que operan sobre la base de la resonancia de plasmón superficial, deben estar rodeadas por una capa dieléctrica que las protegerá del contacto con el analito biológico. Por lo tanto, las nanopartículas con cubierta son adecuadas para aplicaciones prácticas: nanopartículas dieléctricas con una cubierta de oro, que proporcionan una buena funcionalización, o nanopartículas metálicas con una cubierta dieléctrica, que evita el contacto químico con el analito. Sin embargo, hay que recordar que un aumento en el espesor de la capa dieléctrica de las nanopartículas conduce a una disminución de la sensibilidad, es decir, a una disminución en el desplazamiento del máximo de resonancia del plasmón cuando cambia el índice de refracción de la solución analizada. Por lo tanto, una tarea importante es optimizar los parámetros de las nanopartículas y seleccionar sus dimensiones geométricas y el espesor de su capa, lo que aumentará la sensibilidad del desplazamiento espectral del máximo de resonancia del plasmón superficial.

Para fines biomédicos se utilizan nanopartículas semiconductoras, que pueden utilizarse como sondas o marcadores luminiscentes, que se utilizan, por ejemplo, para la tomografía de fluorescencia. Además, el uso de nanopartículas semiconductoras con una cubierta hecha de un semiconductor de mayor espacio conduce a una mayor luminiscencia.

Este trabajo considera nanopartículas esféricas con un núcleo semiconductor rodeado por una capa metálica. La constante dieléctrica de un metal se considera en el marco del modelo Drude y se expresa mediante la siguiente fórmula:

donde ep es la parte reticular de la constante dieléctrica,

wр - frecuencia de plasma para metal,

g es la frecuencia de colisión del metal. La frecuencia de colisión determina la presencia de atenuación en el medio.

El tensor de la constante dieléctrica de un semiconductor se escribe en la forma conocida:

, (2)

donde las componentes del tensor de constante dieléctrica tienen la siguiente forma:

Aquí wpp es la frecuencia de plasma del semiconductor,

wc - frecuencia del ciclotrón,

n es la frecuencia de colisión del semiconductor,

e0р es la parte reticular de la constante dieléctrica de un semiconductor.

Los resultados del cálculo de la dependencia de la frecuencia de los componentes tensoriales de la constante dieléctrica del semiconductor modelo se presentan en las Figuras 1 y 2.

De las Figuras 1 y 2 queda claro que la dependencia de los componentes tensoriales constantes dieléctricas e^ y ea de la frecuencia es compleja. A una determinada frecuencia, dependiendo de la frecuencia del ciclotrón wс, se observa un cambio de signo de los componentes tensoriales. Si el núcleo de una nanopartícula está hecho de un semiconductor, entonces tal cambio en el signo de los componentes e^ y ea conduce a un cambio en la frecuencia de resonancia del plasmón superficial en la interfaz con la capa metálica e incluso a la aparición de Nuevas frecuencias de resonancia de plasmón superficial.

Figura 1. Gráfico de la dependencia del componente tensor e^ de la constante dieléctrica de un semiconductor con la frecuencia. Curva sólida: wс=1,5×1014 rad/s, línea de puntos: wс=2×1014 rad/s, línea de puntos larga: wс=4×1014 rad/s

Figura 2. Gráfico de la dependencia del componente tensorial ea de la constante dieléctrica de un semiconductor con la frecuencia. Curva sólida: wс=1,5×1014 rad/s, línea de puntos: wс=2×1014 rad/s, línea de puntos larga: wс=4×1014 rad/s

La frecuencia del ciclotrón para un semiconductor se calcula de la siguiente manera (en el sistema CGS):

donde H es la fuerza del campo magnético externo.

Dado que la frecuencia del ciclotrón de un semiconductor depende de la magnitud del campo magnético externo, al cambiar el campo magnético, es posible cambiar la frecuencia de resonancia del plasmón superficial en nanopartículas con una capa metálica. Por tanto, las nanopartículas con una capa y un núcleo semiconductor tienen la siguiente propiedad importante: los parámetros electrodinámicos de dichas nanopartículas se pueden controlar cambiando la magnitud del campo magnético externo.

Encontrar la posición del máximo de resonancia de plasmón superficial, que se observa en la interfaz esférica semiconductor-metal, es un problema complejo que no tiene una solución analítica. Para determinar numéricamente la frecuencia de resonancia del plasmón superficial, calcularemos la sección transversal de absorción de una nanopartícula con una cubierta metálica de acuerdo con el método descrito en el trabajo. Los resultados del cálculo de la sección transversal de absorción se presentan en la Figura 3.

Fig. 3. Cálculo de la sección transversal de absorción de una nanopartícula semiconductora con capa de oro. Radio del núcleo 27 nm, espesor de la carcasa 17 nm. Curva continua: wс=1,5×1014 rad/s, línea punteada: wс=2×1014 rad/s

En la Figura 3 se ve claramente que un aumento en la frecuencia del ciclotrón del semiconductor de 1,5 × 1014 rad/s a 2 × 1014 rad/s, observado con un aumento en el campo magnético externo, conduce a un cambio en el máximo de la resonancia de plasmón superficial de 1,35 µm a 1,58 µm.

El trabajo examina nanopartículas recubiertas que pueden usarse como sensores para investigaciones biológicas y médicas. Se consideran nanopartículas que constan de un núcleo semiconductor y una cubierta metálica. Teniendo en cuenta la constante dieléctrica del metal, calculada en el marco del modelo Drude, y la dependencia de la frecuencia de los componentes del tensor de la constante dieléctrica del semiconductor, se calcularon la sección transversal de absorción de las nanopartículas consideradas con una capa de oro. llevado a cabo. Se ha demostrado que un cambio en el campo magnético afecta la posición de la resonancia del plasmón superficial en las nanopartículas. Los resultados obtenidos en este trabajo se pueden utilizar para crear agentes de contraste para imágenes por resonancia magnética o como marcadores biológicos.

Enlace bibliográfico

Orkina V.E., Golovkina M.V. CÁLCULO DE PARÁMETROS DE NANOPARTÍCULAS CON CÁSCARA PARA INVESTIGACIÓN BIOLÓGICA // Boletín Científico Estudiantil Internacional. – 2018. – No. 2.;
URL: http://eduherald.ru/ru/article/view?id=18408 (fecha de acceso: 17/12/2019). Llamamos su atención sobre las revistas publicadas por la editorial "Academia de Ciencias Naturales".

¿Qué son las nanopartículas?
Características de los procesos ópticos que ocurren a escalas nanométricas.
Propiedades espectrales de partículas semiconductoras.
Propiedades espectrales de las partículas metálicas.
Nanopartículas híbridas y sus propiedades espectrales.

Términos utilizados

Sección transversal de dispersión diferencial – cantidad física igual a la relación entre el número de partículas dispersas por unidad de tiempo por unidad de ángulo sólidodΩ , a la densidad de flujo de las partículas incidentes
Sección transversal de dispersión total – es la sección transversal de dispersión diferencial integrada en todo el ángulo sólido
Tasa de absorción – el recíproco de la distancia a la cual el flujo de radiación monocromática que forma un haz paralelo disminuye como resultado de la absorción en el medio enmi una vez

Qué ha pasado nanopartículas?

Las nanopartículas se refieren a objetos que varían en tamaño desde unos pocos nanómetros hasta varios cientos de nanómetros. Por regla general, se trata de cristales de escala nanométrica ( nanocristales), o moléculas grandes

1 – fullereno C 60; 2 – punto cuántico semiconductor de una sola capa; 3 – punto cuántico del tipo “núcleo-capa”; 4 – Imagen TEM de nanopartículas de oro; 5 – Imagen TEM de nanopartículas de plata.

Puntos cuánticos

Consideraremos principalmente el caso especial de las nanopartículas: puntos cuánticos. Punto cuántico Es un cristal en el que el movimiento de los portadores de carga (electrones o huecos) está limitado en las tres dimensiones. ¡Un punto cuántico está formado por cientos de átomos!

Actualmente, los químicos pueden sintetizar puntos cuánticos de una amplia variedad de composiciones. Los puntos cuánticos más comunes están basados en cadmio (p. ej. CDSe).

Nanoóptica estudia las propiedades físicas, la estructura y los métodos de creación de campos de luz localizados a escalas nanométricas.
Óptica tradicional y física láser lidiar con campos de luz en la zona lejana (ondas) R" λ.
Detalles del rango óptico.– aproximación dipolar tamaño del emisor a" λ → ~0,1 – 1 nm; λ ~0,2 – 1 µm (UV – IR).
Óptica de campo cercano (óptica de sublongitud de onda) Se ocupa de campos a distancias de la fuente. (objeto)R« λ (hasta varios nm).
En tales condiciones, además de las ondas ordinarias (que se propagan), se deben tener en cuenta las ondas localizadas (evanescentes). Esto es especialmente importante cuando se considera conjuntos de partículas !

Tener en cuenta la interacción de campo cercano conduce a un cambio cualitativo en el comportamiento de los campos

Tener en cuenta la influencia de campos localizados conduce a la posibilidad de propagación de luz cuya polarización está dirigida en la dirección de propagación. Estas ondas (llamadas longitudinales) no se tienen en cuenta en la óptica convencional. Sin embargo, cuando se trabaja con objetos de tamaño nanométrico, las intensidades de dichas ondas pueden exceder las intensidades de las ondas electromagnéticas convencionales (transversales).

El divisor nanofotónico más simple

Izquierda: Polarización en dirección X, a lo largo de propagación de onda

A la derecha: Polarización en dirección Y, al otro lado de propagación de onda

Características de los procesos ópticos que ocurren a escalas nanométricas.

Se debe tener en cuenta la influencia de los campos localizados.
Los campos electromagnéticos cerca de las nanoestructuras difieren significativamente de los campos en el espacio libre y en materiales a granel.
Estas circunstancias son especialmente importantes cuando se consideran los efectos que ocurren cerca de los límites de las nanoestructuras, así como durante la interacción de nanopartículas ubicadas muy cerca.
Los campos localizados existen en partes limitadas del espacio, pero las intensidades de dichos campos pueden ser significativas, lo que puede conducir a la aparición de fenómenos ópticos no lineales.
Si los nanoobjetos en estudio tienen tamaños inferiores a 10 nm, los efectos cuánticos pueden comenzar a desempeñar un papel, lo que llevaría a la inaplicabilidad del concepto de constante dieléctrica.

Propiedades espectrales de las nanopartículas semiconductoras.

En un material a granel, un electrón puede ocupar cualquier posición desocupada en la banda de conducción. El espectro de fotones emitidos cuando un electrón regresa a la banda de valencia es continuo.
En un punto cuántico, hay una disminución espacialmente limitada en la parte inferior de la banda de conducción y un aumento en la parte superior de la banda de valencia. Según las leyes de la mecánica cuántica, los niveles de energía admisibles del electrón forman un espectro discreto.

Niveles de energía en un punto cuántico

¡Los niveles de energía del electrón y del agujero son inversamente proporcionales al cuadrado del ancho del punto cuántico! Al elegir diferentes tamaños y formas de puntos cuánticos, puedes hacer que emitan o absorban luz. longitud de onda dada. Esto permite utilizar el mismo material, pero de diferentes tamaños y formas, crean fuentes de luz que emiten en un rango espectral determinado.

Espectros de emisión de puntos cuánticos.

Dependencia de la fluorescencia de los puntos cuánticos núcleo-capa de CdSe/ZnS irradiados con luz con l = 470 nm del radio del núcleo.

Espectros de emisión normalizados de puntos cuánticos de In (Ga) As colocados en una matriz de GaAs.

Como en el caso de las nanopartículas semiconductoras, las propiedades espectrales de las partículas metálicas dependen significativamente de su tamaño y forma. Sin embargo, a diferencia de los semiconductores, en el caso de los metales este fenómeno está asociado principalmente a la excitación. plasmones . Cuando la luz interactúa con los electrones, que pueden moverse libremente por todo el metal, la posición de los electrones en relación con la posición de los iones en la red cristalina comienza a oscilar con una frecuencia de plasma ωp. Los cuantos de oscilaciones del plasma se llaman plasmones .

En el caso de la interacción de la luz con la superficie de un metal, la onda electromagnética penetra en el metal sólo a distancias muy cortas (menos de 50 nm para la plata y el oro), por lo que la principal contribución a las vibraciones la realizan los electrones ubicados cerca. la superficie. Sus vibraciones colectivas se llaman propagación de plasmones de superficie . Si los electrones libres se limitan a un cierto volumen finito del metal (como es el caso de las nanopartículas metálicas), las vibraciones se localizan y sus cuantos se denominan plasmones de superficie localizados .

resonancia de plasmón

Si las oscilaciones del plasmón excitadas en diferentes partes del cristal interfieren constructivamente, se produce el fenómeno. plasmónico resonancia . En este caso, la sección transversal de extinción (absorción + dispersión) aumenta significativamente. La posición del pico en el espectro, así como su magnitud, dependen significativamente de la forma de la partícula y su tamaño.

Modos de oscilaciones del plasmón excitados por la irradiación de un nanotriángulo con un haz de electrones de diferentes energías. Dependiendo de la energía, los máximos de campo aparecen en las esquinas, cerca de los centros de las caras y en el centro del triángulo.

Dependencia de los espectros de nanopartículas metálicas de su forma y tamaño.

Máximos en los espectros de dispersión de diversas nanopartículas metálicas: a) nanoprismas de plata; b) perlas de oro con un tamaño de 100 nm; c) perlas de oro de 50 nm de tamaño; d) perlas de plata con un tamaño de 100 nm; e) perlas de plata con un tamaño de 80 nm; f) perlas de plata con un tamaño de 40 nm.

Dependencia del espectro de extinción de nanopartículas de plata de la forma de la partícula.

Propiedades espectrales de las partículas metálicas.

Las propiedades espectrales de las nanopartículas metálicas están asociadas al fenómeno de resonancia de plasmones superficiales localizados.
La posición, magnitud y forma de los espectros de extinción de las nanopartículas metálicas dependen de la forma y el tamaño de las nanopartículas.
Al variar el tamaño y la forma de una nanopartícula metálica, podemos asegurar que la sección transversal de extinción máxima caiga dentro del rango espectral deseado.
Utilizando esta propiedad, es posible aumentar significativamente la eficiencia de las células solares debido a la absorción de diferentes partes del espectro solar por diferentes nanopartículas.

Nanopartículas híbridas

Híbrido nanopartículas Están formados por diversos materiales, como metales y semiconductores. Dado que las propiedades de diferentes materiales cambian de manera diferente a medida que disminuye el tamaño, al describir las propiedades ópticas de las nanopartículas híbridas es necesario tener en cuenta la interacción entre los distintos componentes que componen el nanoobjeto.

Consideremos las propiedades ópticas de las nanopartículas híbridas usando el ejemplo de las nanopartículas organometálicas del tipo "núcleo-cubierta", que consisten en un núcleo metálico y una cubierta de tinte en el llamado estado agregado.

Posición relativa de los picos de resonancia de plasmón no perturbados del núcleo (Ag y Au) y el pico de excitón de la capa de agregado J del tinte (TC, OC, PIC)

Espectros típicos de absorción de luz de nanopartículas híbridas de agregado de Ag/J y Au/J-unidad

Dependencia de la naturaleza de los espectros de fotoabsorción de nanopartículas híbridas agregadas de Ag/J ( posiciones e intensidades máximas) en el espesor de la capa exterior del tinte en un radio central fijo

Espesor de la cáscara: ℓ=2 nm (1); ℓ= 4 nm (2); ℓ= 6 nm (3); ℓ= 8 nm (4); ℓ= 10 nm (5); ℓ=12 nm (6). El radio del núcleo de la nanopartícula no cambia: r= 30 millas náuticas

Dependencia de las propiedades ópticas de las nanopartículas híbridas de su forma.

Objeto de estudio: Nanopartículas esferoidales de 2 capas con núcleo metálico (Ag, Au), recubiertas con un agregado J de colorante de cianina.

Dependencia del espectro de absorción de sistemas compuestos de agregados Ag/J de parámetros geométricos

Propiedades espectrales de nanopartículas híbridas.

Las propiedades espectrales de las partículas híbridas difieren significativamente de las propiedades de los componentes que componen la nanopartícula.
La interacción de los componentes de las nanopartículas puede provocar un cambio en la posición de los picos en las secciones transversales de absorción, la aparición de nuevos picos y también un cambio en los valores de los picos de las secciones transversales de absorción.
Las posiciones y el número de picos en las secciones transversales de absorción dependen de la forma de la nanopartícula.
Para partículas no esféricas, las posiciones de los máximos de absorción dependen de la polarización de la radiación incidente.
Al elegir varios parámetros geométricos de una nanopartícula híbrida, es posible lograr un desplazamiento de los picos de absorción a la región espectral deseada, lo que abre la posibilidad de controlar las propiedades espectrales de las nanopartículas híbridas.

conclusiones

Las propiedades ópticas de las nanopartículas son radicalmente diferentes de las propiedades del material a granel.
Para casi todas las nanopartículas, las características espectrales cambian significativamente con los cambios en la forma y el tamaño de las partículas.
Variando los parámetros geométricos de las nanopartículas es posible conseguir las propiedades ópticas requeridas
Al pasar a considerar conjuntos de nanopartículas, es necesario tener en cuenta la interacción entre partículas individuales.
Las propiedades espectrales de las nanopartículas híbridas difieren de las propiedades de los componentes que las componen (¡el todo no es igual a la suma de las partes!)

Bibliografía

L. Novotny, B. Hecht, Lo esencialnanoóptica, Moscú, Fizmatlit 2011
Y. Masumoto, T. Takagahara, Semiconductor Puntos cuánticos, Springer-Verlag Berlín Heidelberg Nueva York, 2002
V.S. Lebedev et al, Colloids and Surfaces A 326, 204 (2008); Electrónica cuántica 40, 246 (2010)
V.S. Medvedev, Quantum Electronics 42, 701 (2012); Electrónica cuántica 43, n.º 11 (2013); J. Russ. Resolución láser. 34.303 (2013)
RB Vasiliev, D.N. Dirin, A.M. Gaskov, Uspekhi Khimii, 80, 1190 (2011)
V. M. Agranovich, Yu. N. Gartstein y M. Litinskaya, Chemical Reviews, 111, 5179 (2011)
ÉL. Schäfer, Nanociencia, Springer Heidelberg Dordrecht Londres Nueva York, 2010
Sergio G.Rodrigo, Propiedades ópticas NanoestructuradoMetálico Sistemas, Springer Heidelberg Dordrecht Londres Nueva York, 2012