Rezonans plazmonowy. Właściwości optyczne nanocząstek Zlokalizowane rezonanse rozpraszające i absorpcyjne w nanocząstkach

, polaryton , plazmon , nanofotonika Definicja rezonans plazmonowy (w przypadku nanostruktur metalowych - zlokalizowany rezonans plazmonowy) to wzbudzenie plazmonu powierzchniowego przy jego częstotliwości rezonansowej przez zewnętrzną falę elektromagnetyczną. Opis

Plazmon powierzchniowy nie jest bezpośrednio powiązany z promieniowaniem elektromagnetycznym w otoczeniu metalu, gdyż jego prędkość jest mniejsza od prędkości światła. Technika pozwalająca na wykorzystanie plazmonów powierzchniowych w optyce opiera się na wykorzystaniu całkowitego wewnętrznego odbicia. W przypadku całkowitego wewnętrznego odbicia fala elektromagnetyczna rozchodzi się wzdłuż powierzchni odbijającej światło, której prędkość jest mniejsza niż prędkość światła i zależy od kąta padania. Jeżeli pod pewnym kątem padania prędkość tej fali zbiega się z prędkością plazmonu powierzchniowego na powierzchni metalu, wówczas warunki całkowitego wewnętrznego odbicia zostaną naruszone, a odbicie przestanie być całkowite, a powierzchnia powstanie rezonans plazmonowy.

W nanometrycznych układach metalowych następuje modyfikacja zbiorczych wzbudzeń elektronicznych. Zbiorowe elektroniczne wzbudzenie nanocząstek metali, których rozmiar jest mniejszy niż długość fali promieniowania elektromagnetycznego w otoczeniu – zlokalizowane plazmony powierzchniowe – oscylują z częstotliwością mniejszą od częstotliwości plazmonów masowych o współczynnik około 3, natomiast częstotliwość plazmonów powierzchniowych jest około 2 razy mniejsza niż częstotliwość plazmonu masowego. Ze względu na niewielkie rozmiary układu wyeliminowano wymóg zbieżności prędkości propagacji wzbudzenia i fali elektromagnetycznej w środowisku zewnętrznym, dzięki czemu zlokalizowane plazmony powierzchniowe są bezpośrednio powiązane z promieniowaniem. Kiedy częstotliwość pola zewnętrznego pokrywa się z częstotliwością zlokalizowanego plazmonu powierzchniowego, następuje rezonans, który prowadzi do gwałtownego wzrostu pola na powierzchni cząstki i zwiększenia przekroju absorpcyjnego.

Właściwości zlokalizowanych plazmonów w dużym stopniu zależą od kształtu nanocząstek, co umożliwia dostrojenie układu ich rezonansów do efektywnej interakcji ze światłem lub elementarnymi układami kwantowymi.

Obecnie zjawisko powierzchniowego rezonansu plazmonowego znajduje szerokie zastosowanie w tworzeniu czujników chemicznych i biologicznych. Nanostruktury plazmoniczne w kontakcie z obiektami biologicznymi (DNA, wirusami, przeciwciałami) umożliwiają zwiększenie intensywności sygnałów fluorescencyjnych o ponad rząd wielkości, tj. znacząco poszerzają możliwości wykrywania, identyfikacji i diagnozowania obiektów biologicznych.

Naimushina Daria Anatolijewna

Spinki do mankietów

Perlin E.Yu., Vartanyan T.A., Fedorov A.V. Fizyka ciała stałego. Optyka półprzewodników, dielektryków, metali: Podręcznik. - St. Petersburg: Uniwersytet Państwowy w Petersburgu ITMO, 2008. - 216 s.
Pompa P.P., Martiradonna L. i in. Wzmocniona metalem fluorescencja nanokryształów koloidalnych z kontrolą w nanoskali // Nature Nanotechnology - tom. 1, 2006 - s. 126 -130
Nashchekin A.V. i inne. Biosensory oparte na powierzchniowym rezonansie plazmonowym // Zbiór abstraktów raportów przekrojowych, prezentacji plakatowych i raportów uczestników konkursu prac naukowych młodych naukowców - II Międzynarodowe Forum Nanotechnologii, 2008

Ilustracje Tagi Działy Metody diagnostyki i badań nanostruktur i nanomateriałów
Nauka

Encyklopedyczny słownik nanotechnologii. - Rusnano. 2010 .

Zobacz, co oznacza „rezonans plazmonowy” w innych słownikach:

język angielski rezonans plazmonowy) wzbudzenie plazmonu powierzchniowego przy jego częstotliwości rezonansowej przez zewnętrzną falę elektromagnetyczną (w przypadku nanostruktur metalowych nazywa się to zlokalizowanym rezonansem plazmonowym). Opis Techniczny... Wikipedia

Termin nanofarmakologia Termin w języku angielskim nanofarmakologia Synonimy Skróty Powiązane terminy: adhezja, dostarczanie genów, przeciwciało, bakteriofag, białka, błona biologiczna, hipertermia, DNA, kapsyd, kropka kwantowa, kinezyna, komórka... Encyklopedyczny słownik nanotechnologii

Przekładnie wielkości molekularnej oparte na nanorurkach… Wikipedia

Nanoprzekładnie o wielkości molekularnej Nanotechnologia to interdyscyplinarna dziedzina nauk podstawowych i stosowanych oraz technologii, zajmująca się połączeniem uzasadnienia teoretycznego, praktycznych metod badań, analizy i syntezy, a także ... ... Wikipedia

W fizyce plazmon jest kwazicząstką odpowiadającą kwantyzacji oscylacji plazmy, które są zbiorowymi oscylacjami wolnego gazu elektronowego. Spis treści 1 Wyjaśnienie 2 Możliwe zastosowania... Wikipedia

W fizyce plazmon jest kwazicząstką odpowiadającą kwantyzacji oscylacji plazmy, które są zbiorowymi oscylacjami wolnego gazu elektronowego. Wyjaśnienie Plazmony odgrywają dużą rolę we właściwościach optycznych metali. Światło z częstotliwością... Wikipedia

Złoto- (Złoto) Złoto to metal szlachetny Złoto: koszt, próbki, stawka, skup, odmiany złota Spis treści >>>>>>>>>>>>>>>> Złoto to, definicja... Encyklopedia inwestorów

Kiedy promieniowanie elektromagnetyczne oddziałuje z nanocząstkami metali, ruchome elektrony przewodzące cząstek są przemieszczane względem dodatnio naładowanych jonów metali w sieci. To przemieszczenie ma charakter zbiorowy, w którym ruch elektronów jest zgodny w fazie. Jeśli rozmiar cząstek jest znacznie mniejszy niż długość fali padającego światła, wówczas ruch elektronów prowadzi do pojawienia się dipola. W rezultacie powstaje siła, która ma tendencję do przywracania elektronów do pozycji równowagi. Wielkość siły przywracającej jest proporcjonalna do wielkości przemieszczenia, jak dla typowego oscylatora, zatem możemy mówić o występowaniu naturalnej częstotliwości zbiorczych oscylacji elektronów w cząstce. Jeżeli częstotliwość oscylacji padającego światła pokrywa się z naturalną częstotliwością oscylacji wolnych elektronów w pobliżu powierzchni cząstki metalu, obserwuje się gwałtowny wzrost amplitudy oscylacji „plazmy elektronowej”, której kwantowym analogiem jest plazmon. Zjawisko to nazywa się powierzchniowym rezonansem plazmonowym (SPR). W widmie absorpcji światła pojawia się pik. Dla cząstek metali szlachetnych o wielkości rzędu 10-100 nm SPR obserwuje się w widzialnym obszarze widma oraz w zakresie bliskiej podczerwieni. Jego położenie i intensywność zależą od wielkości, kształtu nanocząstek i lokalnego środowiska dielektrycznego. Sferyczne nanocząstki srebra o średnicy 10-25 nm mają pik absorpcji w okolicach 400-420 nm (rys. 1a), sferyczne nanocząstki złota - 520 nm, nanocząstki tlenku miedzi (I) - 450-700 nm.

Nanopręty mają symetrię anizotropową, dlatego w widmie absorpcji obserwuje się dwa piki, odpowiadające plazmonom poprzecznym i podłużnym. Plazmon poprzeczny daje pik absorpcji przy 400 nm, a podłużny może pojawić się w zakresie 500-1000 nm. tj. V

obszar bliskiej podczerwieni. O jego położeniu decydują czynniki wymiarowe nanopręta, czyli stosunek długości do szerokości.

λ, nm

Ryc.1a Widmo absorpcji optycznej nanocząstek srebra

Ryc.1b Widmo absorpcji optycznej nanocząstek srebra w kształcie pręcików

Część doświadczalna Opracowanie i prezentacja wyników badań laboratoryjnych

W raporcie należy podać:

Schemat i równanie reakcji syntezy nanocząstek

Zapisy zmian barwy roztworów podczas syntezy

Zapisy wpływu (lub braku wpływu) stężenia środka redukującego i/lub stabilizatora na wielkość i stabilność powstałych nanocząstek

Widmo absorpcyjne roztworu nanocząstek

Wnioski dotyczące kształtu i wielkości nanocząstek w zsyntetyzowanym roztworze

Praca laboratoryjna nr 1 Otrzymywanie nanocząstek Ag metodą cytrynianową

Metoda ta pozwala na otrzymanie stosunkowo dużych cząstek srebra o średnicy 60-80 nm. Absorpcja maksymalna 420 nm.

Odczynniki i sprzęt

Odczynniki: 0,005M roztwór azotanu srebra AgNO 3, cytrynian sodu Na 3 C 6 H 5 O 7 ∙6H 2 O (1% roztwór), woda destylowana.

Sprzęt: waga, spektrofotometr, kuwety kwarcowe o długości drogi optycznej 1 cm, kolby 200 ml, zlewki 50 ml, podgrzewane mieszadło, cylinder miarowy.

Porządek pracy

Przygotuj 0,005M (0,085%) roztwór AgNO 3 w wodzie. W tym celu rozpuścić 0,0425 g substancji w 50 ml wody destylowanej.

Przenieść 25 ml przygotowanego roztworu do kolby i dodać 100 ml wody.

Przygotować 1% roztwór cytrynianu sodu rozpuszczając jego 0,5 g w 50 ml wody.

Ogrzać 125 ml powstałego roztworu azotanu srebra do wrzenia na płycie grzejnej z mieszadłem.

Gdy tylko roztwór zacznie wrzeć, dodać 5 ml 1% roztworu cytrynianu sodu.

Ogrzewaj roztwór, aż kolor zmieni się na bladożółty.

Pozostawić roztwór do ostygnięcia do temperatury pokojowej przy pracującym mieszadle.

Doprowadzić wodą objętość roztworu, która zmniejszyła się w wyniku wrzenia, do 125 ml.

Zapisać widmo absorpcyjne powstałego roztworu koloidalnego w zakresie 200 – 800 nm. Jako roztwór referencyjny należy przyjąć wodę.

Zrób widmo absorpcji po dniu lub tygodniu. Porównaj otrzymane widma. Co można powiedzieć o stabilności nanocząstek? Jakie czynniki decydują o stabilności nanocząstek otrzymanych tą metodą? Jakie inne znane są metody zwiększania stabilności nanocząstek metali? Dlaczego wodny roztwór azotanu srebra przechowuje się w laboratorium w ciemnym pojemniku?

Do 5 ml roztworu otrzymanych nanocząstek srebra dodać kroplami 5 ml rozcieńczonego HCl. Powtórz doświadczenie z kwasem octowym CH3COOH. Obserwuj stopniowe rozpuszczanie nanocząstek srebra i powstawanie białego osadu po dodaniu kwasu solnego oraz zmianę zabarwienia roztworu po dodaniu kwasu octowego. Zapisz wnioski, obserwacje i równania reakcji w zeszycie.

Optyczna spektroskopia absorpcyjna jest jedną z najstarszych metod analizy fizykochemicznej biomolekuł. Jednak jego niska czułość i rozdzielczość przestrzenna nie pozwalają na badanie procesów obejmujących niskie stężenia białek. Naukowcom z Berkeley udało się „przedłużyć żywotność” metody optycznej, łącząc ją z inną zasadą stosowaną w badaniach biofizycznych i biochemicznych - rezonans plazmonowy. Okazało się, że w widmie rozpraszania elastycznego nanocząstek złota wprowadzonych do komórki mogą pojawiać się specyficzne „zapady”, odpowiadające częstotliwościom, z jakimi absorbują niektóre cząsteczki biologiczne (np. metaloproteiny). Naukowcy nazywają ten efekt migracja energii rezonansu plazmonowego i wyjaśnić to bezpośrednim oddziaływaniem cząstek złota z zaadsorbowanymi na nich cząsteczkami białka. Zaproponowana metoda charakteryzuje się niespotykaną dotąd czułością: można za jej pomocą określić, jeśli nie pojedyncze cząsteczki białek, to przynajmniej ich kilkadziesiąt.

Spektrometria optyczna pozwala na badanie białek, które posiadają gęstość optyczną w widzialnym zakresie promieniowania elektromagnetycznego (chromoproteiny) mierząc absorpcję światła w pewnym ( "Charakterystyka" dla określonych cząsteczek) długości fal. Pomiary takie wymagają jednak dość wysokich stężeń białek, a rozdzielczość przestrzenna tej metody jest bardzo niska (zwykle bada się roztwory cząsteczek zlokalizowane w kuwetach spektrometrycznych i po prostu nie ma mowy o tym, gdzie dokładnie w komórce znajdują się badane cząsteczki usytuowany). Metody oparte na pomiarach są znacznie bardziej czułe fluorescencja(wraz z mikroskopią konfokalną pozwalają określić lokalizację cząsteczek wewnątrz żywej komórki), jednak tutaj konieczna jest modyfikacja badanych cząsteczek specjalnymi cząsteczkami znacznikowymi, co nie zawsze jest pożądane i możliwe. Inna metoda często stosowana w biologii, spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego, również wymaga dość dużych stężeń białka i często znakowania izotopowego obiektu, który jest złożony w układach żywych.

Metodologia zaproponowana przez naukowców z Berkeley (artykuł opublikowany w czasopiśmie Metody natury) polega na wprowadzeniu do żywych komórek nanoskopowych cząstek złota o kontrolowanej wielkości (20–30 nm). Elektrony na powierzchni cząstek wykonanych z metali takich jak złoto czy srebro zbiorowo oscylują w odpowiedzi na napromieniowanie światłem o określonej długości fali – jest to zjawisko znane jako rezonans plazmonowy(patrz pasek boczny). Częstotliwości rezonansowe tych nanocząstek są znacznie łatwiejsze do zarejestrowania niż słaby (ze względu na bardzo niskie stężenia) sygnał optyczny z cząsteczek biologicznych, co umożliwia prowadzenie pomiarów.

Stanęliśmy w samolocie
Ze zmiennym kątem odbicia,
Oglądanie prawa
Wprawianie krajobrazów w ruch.

Powtarzanie słów
Pozbawiony wszelkiego znaczenia
Ale bez napięcia
Żadnego napięcia.
B.G.

Literatura

Gang Logan Liu, Yi-Tao Long, Yeonho Choi, Taewook Kang, Luke P Lee. (2007). Kwantowana nanospektroskopia z wygaszaniem plazmonów poprzez transfer energii rezonansu plazmonowego. Metody Nata. 4 , 1015-1017;
Nowa technika nanocząsteczek rejestruje reakcje chemiczne w pojedynczej żywej komórce z niesamowitą przejrzystością. (2007). ScienceDaily.

Nanocząstki metali wykazujące powierzchniowy rezonans plazmonowy na granicy faz metal-dielektryk mają ogromny potencjał do zastosowania jako bardzo czułe czujniki w badaniach biologicznych i medycznych. Powierzchniowy rezonans plazmonowy występuje na styku metalu i dielektryka. Częstotliwość powierzchniowego rezonansu plazmonowego zależy zarówno od stałych dielektrycznych sąsiednich powierzchni, jak i od kształtu powierzchni. Zależność położenia maksimum powierzchniowego rezonansu plazmonowego od wymiarów geometrycznych nanocząstek umożliwia wytwarzanie nanocząstek do badań biologicznych, których częstotliwość rezonansowa pokrywa się z częstotliwością drgań własnych różnych odczynników biologicznych. W tej pracy rozważamy kuliste nanocząstki składające się z rdzenia półprzewodnikowego otoczonego metalową powłoką. Złożona zależność stałej dielektrycznej półprzewodnika od częstotliwości może prowadzić do pojawienia się dodatkowego powierzchniowego rezonansu plazmonowego przy różnych częstotliwościach. W pracy uwzględniono tensor stałej dielektrycznej półprzewodnika oraz zależność częstotliwościową składowych tensora. Stałą dielektryczną metalu oblicza się za pomocą formalizmu Drude'a. W pracy obliczono przekrój absorpcyjny nanocząstek ze złotą powłoką i wykazano, że zależność składowych tensora stałej dielektrycznej półprzewodnika od zewnętrznego pola magnetycznego umożliwia zmianę położenia maksimum powierzchniowego rezonansu plazmonowego poprzez zmianę pola magnetycznego . Tym samym wykazano, że nanocząstki z rdzeniem półprzewodnikowym i metalową powłoką mogą służyć jako czujniki różnych biomolekuł w zależności od natężenia pola magnetycznego

nanocząstki

powierzchniowy rezonans plazmonowy

półprzewodnik

Drudny model

1. Bas, F.G. Właściwości wysokoczęstotliwościowe półprzewodników z supersieciami / F.G. Bass, AA Bułhakow, A.P. Teterwow – M: Nauka, 1989. – 288 s.

2. Boren, K. Absorpcja i rozpraszanie światła przez małe cząstki / K. Boren, D. Huffman. – M.: Mir, 1986. – 340 s.

3. Golovkina M.V. Odbicie fali elektromagnetycznej od układu nadprzewodnik-półprzewodnik / M.V. Golovkina // Nowoczesna, wysoka technologia. 2009. nr 8. s. 8-10.

4. Dykman LA Biomedyczne zastosowanie wielofunkcyjnych nanokompozytów złota / L.A. Dykman, NG Chlebcow // Postępy w chemii biologicznej. – 2016. – T. 56. – s. 411-450.

5. Klimov, V.V. Nanoplazmonika / V.V. Klimow. – M.: Fizmatlit, 2009. – 480 s.

6. Synteza nanocząstek magnetytu i złota o strukturze rdzeń-powłoka / P.G. Rudakovskaya [i inni] // Biuletyn Uniwersytetu Moskiewskiego. Seria 2. Chemia. – 2015. –T. 56. – nr 3 – s. 181-189.

7. Golovkina M.V. Okresowe struktury półprzewodnikowe z metamateriałami. Materiały Międzynarodowa konferencja syberyjska na temat kontroli i komunikacji, SIBCON-2009. Tomsk, 2009. – s. 133-137.

Nanocząstki i oparte na nich struktury nanokompozytowe cieszą się ostatnio coraz większym zainteresowaniem naukowców i inżynierów. Postęp, jaki osiągnęła obecnie technologia wytwarzania nanocząstek, umożliwia wytwarzanie nanocząstek o promieniu kilku nanometrów, o kształcie kulistym i elipsoidalnym, a także nanocząstek o złożonej strukturze z otoczką. Nanocząstki i oparte na nich materiały nanokompozytowe wykorzystywane są do produkcji półprzewodnikowych urządzeń fotoniki i optoelektroniki, takich jak filtry, wzmacniacze, a także mogą znaleźć zastosowanie jako wysokowydajne i bardzo czułe czujniki. Nanocząstki metali lub nanocząstki z metalową powłoką posiadające powierzchniowy rezonans plazmonowy znajdują zastosowanie w różnych dziedzinach nauki i technologii, takich jak chemia, fizyka, biologia, medycyna, nanotechnologia, biotechnologia itp. Nanocząstki magnetyczne mają także ogromny potencjał zastosowania w biologii i medycynie. Ze względu na wysoką specyficzną namagnesowanie i zdolność wiązania się z powierzchnią cząsteczek biologicznych, nanocząstki magnetyczne na bazie tlenku żelaza są obiecującym materiałem do opracowania selektywnych środków kontrastowych do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego. Aby rozwiązać problemy biochemiczne o różnym stopniu złożoności, wymagane jest połączenie właściwości magnetycznych i specjalnych właściwości powierzchniowych obserwowanych w nanocząstkach. Nanocząstki magnetytu funkcjonalizowane biomolekułami (przeciwciałami, enzymami, nukleotydami itp.) w celu namierzania lub rozpoznawania układów biologicznych można wykorzystać jako materiały do ukierunkowanego dostarczania leków.

Na szczególną uwagę zasługują nanocząstki typu rdzeń-powłoka, które mają zdolność łączenia właściwości kilku materiałów w jednej cząstce. Zatem zastosowanie magnetytu jako rdzenia w materiałach typu rdzeń-powłoka pozwala uniknąć wszystkich wad, jakie wykazują koloidalne roztwory nanocząstek tlenku żelaza. Są toksyczne, wykazują tendencję do szybkiej agregacji w różnych roztworach biologicznych i trudno funkcjonalizować powierzchnię. Aby przezwyciężyć te wady, można zastosować nanocząstki w otoczce. Materiały nieorganiczne są stosowane jako powłoki zapewniające stabilność, łatwość funkcjonalizacji powierzchni i biokompatybilność. Odpowiednim i optymalnym materiałem do tworzenia otoczek nanocząstek jest złoto, które jest biokompatybilne i wysoce stabilne.

Roztwory koloidalne drobnych cząstek złota były stosowane w celach leczniczych już od czasów starożytnych. Jednak dopiero w ostatnich dziesięcioleciach, dzięki pojawieniu się nowych danych na temat unikalnych właściwości optycznych i fizykochemicznych nanocząstek złota, zaczęto aktywnie wykorzystywać je do różnych celów biologicznych i medycznych, zarówno w biologii eksperymentalnej i medycynie, jak i w praktyce.

Zainteresowanie złotem i innymi cząstkami metali szlachetnych (takimi jak nanocząstki srebra) wynika z ich unikalnych właściwości optycznych związanych ze wzbudzaniem zlokalizowanych rezonansów plazmonowych w nanocząsteczkach metali oddziałujących ze światłem. Te wzbudzenia plazmonów powierzchniowych prowadzą do całej klasy właściwości liniowych wzmocnionych plazmonami, takich jak absorpcja rezonansowa, rozpraszanie, generowanie silnych pól lokalnych, gigantyczne rozpraszanie Ramana.

Nanotechnologia wykorzystywana w badaniach biomedycznych wykorzystuje nanocząsteczki złota i srebra, które dobrze adsorbują różne odczynniki biologiczne. W ten sposób makrocząsteczki biologiczne, czyli cząsteczki pełniące funkcję sondy, np. przeciwciała, można przyłączać do nanocząstek metali. Nanostruktury zawierające nanocząstkę jako rdzeń z przyłączonymi do nich cząsteczkami biologicznymi nazywane są biokoniugatami lub koniugatami. W tym przypadku przyłączenie biomakromolekuł do nanocząstek nazywa się funkcjonalizacją. W takim przypadku biomakrocząsteczka koniugatu służy do przyłączenia się do jednostki biologicznej będącej celem. Nanocząstki złota są również szeroko stosowane w biomedycynie ze względu na ich dobrą biokompatybilność, niską reaktywność chemiczną i dobrą funkcjonalizację. Jednakże niektóre metale, np. srebro, mogą wykazywać dużą reaktywność chemiczną, dlatego takie nanocząstki metali, które działają w oparciu o powierzchniowy rezonans plazmonowy, muszą być otoczone powłoką dielektryczną, która zabezpieczy je przed kontaktem z analitem biologicznym. Zatem do zastosowań praktycznych nadają się nanocząstki otoczone: nanocząstki dielektryczne ze złotą powłoką, które zapewniają dobrą funkcjonalizację, lub nanocząstki metalu z powłoką dielektryczną, która zapobiega kontaktowi chemicznemu z analitem. Należy jednak pamiętać, że zwiększenie grubości powłoki dielektrycznej nanocząstek prowadzi do zmniejszenia czułości, czyli zmniejszenia przesunięcia maksimum rezonansu plazmonowego przy zmianie współczynnika załamania światła analizowanego roztworu. Dlatego ważnym zadaniem jest optymalizacja parametrów nanocząstek oraz dobór ich wymiarów geometrycznych i grubości powłoki, co pozwoli na zwiększenie czułości przesunięcia widmowego maksimum powierzchniowego rezonansu plazmonowego.

Do celów biomedycznych wykorzystuje się nanocząstki półprzewodnikowe, które można wykorzystać jako sondy luminescencyjne lub znaczniki, które znajdują zastosowanie np. w tomografii fluorescencyjnej. Ponadto zastosowanie nanocząstek półprzewodnikowych z powłoką wykonaną z półprzewodnika o szerszej szczelinie prowadzi do zwiększenia luminescencji.

Niniejsza praca dotyczy kulistych nanocząstek z rdzeniem półprzewodnikowym otoczonym metalową powłoką. Stała dielektryczna metalu jest rozważana w ramach modelu Drude'a i wyrażana za pomocą następującego wzoru:

gdzie ep jest częścią sieciową stałej dielektrycznej,

wр - częstotliwość plazmy dla metalu,

g jest częstotliwością zderzeń metalu. Częstotliwość zderzeń określa obecność tłumienia w ośrodku.

Tensor stałej dielektrycznej półprzewodnika zapisuje się w znanej postaci:

, (2)

gdzie składowe tensora stałej dielektrycznej mają postać:

Tutaj wpp jest częstotliwością plazmy półprzewodnika,

wc - częstotliwość cyklotronu,

n jest częstotliwością zderzeń półprzewodnika,

e0р jest częścią sieciową stałej dielektrycznej półprzewodnika.

Wyniki obliczeń zależności częstotliwościowej składowych tensora stałej dielektrycznej modelowego półprzewodnika przedstawiono na rysunkach 1 i 2.

Z rysunków 1 i 2 jasno wynika, że zależność składowych tensora stałej dielektrycznej e^ i ea od częstotliwości jest złożona. Przy pewnej częstotliwości, zależnej od częstotliwości cyklotronu wс, obserwuje się zmianę znaku składowych tensorowych. Jeżeli rdzeń nanocząstki wykonany jest z półprzewodnika, to taka zmiana znaku składników e^ i ea prowadzi do zmiany częstotliwości powierzchniowego rezonansu plazmonowego na styku z metalową powłoką, a nawet do pojawienia się nowe częstotliwości powierzchniowego rezonansu plazmonowego.

Ryc.1. Wykres zależności składowej tensorowej e^ stałej dielektrycznej półprzewodnika od częstotliwości. Krzywa ciągła: wс=1,5×1014 rad/s, linia przerywana: wс=2×1014 rad/s, długa linia przerywana: wс=4×1014 rad/s

Ryc.2. Wykres zależności składowej tensorowej ea stałej dielektrycznej półprzewodnika od częstotliwości. Krzywa ciągła: wс=1,5×1014 rad/s, linia przerywana: wс=2×1014 rad/s, długa linia przerywana: wс=4×1014 rad/s

Częstotliwość cyklotronu dla półprzewodnika oblicza się w następujący sposób (w układzie CGS):

gdzie H jest siłą zewnętrznego pola magnetycznego.

Ponieważ częstotliwość cyklotronu półprzewodnika zależy od wielkości zewnętrznego pola magnetycznego, zmieniając pole magnetyczne, można zmienić częstotliwość powierzchniowego rezonansu plazmonowego w nanocząstkach z metalową powłoką. Zatem nanocząstki z powłoką i rdzeniem półprzewodnikowym mają następującą ważną właściwość: parametry elektrodynamiczne takich nanocząstek można kontrolować poprzez zmianę wielkości zewnętrznego pola magnetycznego.

Znalezienie położenia maksimum powierzchniowego rezonansu plazmonowego, jakie obserwuje się na sferycznej granicy faz półprzewodnik-metal, jest problemem złożonym i nie mającym rozwiązania analitycznego. Aby numerycznie wyznaczyć częstotliwość powierzchniowego rezonansu plazmonowego, obliczymy przekrój absorpcyjny nanocząstki z metalową powłoką zgodnie z metodą opisaną w pracach. Wyniki obliczeń przekroju absorpcji przedstawiono na rysunku 3.

Ryc.3. Obliczanie przekroju absorpcyjnego nanocząstki półprzewodnikowej ze złotą powłoką. Promień rdzenia 27 nm, grubość powłoki 17 nm. Krzywa ciągła: wс=1,5×1014 rad/s, linia przerywana: wс=2×1014 rad/s

Z rysunku 3 widać wyraźnie, że wzrost częstotliwości cyklotronu półprzewodnika z 1,5 × 1014 rad/s do 2 × 1014 rad/s, obserwowany wraz ze wzrostem zewnętrznego pola magnetycznego, prowadzi do przesunięcia maksimum powierzchniowy rezonans plazmonowy od 1,35 µm do 1,58 mikrona.

W pracy zbadano nanocząstki w otoczce, które można wykorzystać jako czujniki w badaniach biologicznych i medycznych. Rozważane są nanocząstki składające się z rdzenia półprzewodnikowego i metalowej powłoki. Uwzględniając stałą dielektryczną metalu obliczoną w ramach modelu Drude’a oraz zależność częstotliwościową składowych tensora stałej dielektrycznej półprzewodnika, przeprowadzono obliczenia przekroju absorpcyjnego rozważanych nanocząstek ze złotą powłoką przeprowadzone. Wykazano, że zmiana pola magnetycznego wpływa na położenie powierzchniowego rezonansu plazmonowego w nanocząstkach. Wyniki uzyskane w tej pracy mogą zostać wykorzystane do stworzenia środków kontrastowych do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego lub jako markery biologiczne.

Link bibliograficzny

Orkina V.E., Golovkina M.V. OBLICZANIE PARAMETRÓW NANOCZĄSTECZEK Z POWŁOKĄ DO BADAŃ BIOLOGICZNYCH // Międzynarodowy Studencki Biuletyn Naukowy. – 2018 r. – nr 2.;
Adres URL: http://eduherald.ru/ru/article/view?id=18408 (data dostępu: 17.12.2019). Zwracamy uwagę na czasopisma wydawane przez wydawnictwo „Akademia Nauk Przyrodniczych”

Czym są nanocząstki?
Cechy procesów optycznych zachodzących w skali nanometrowej
Właściwości widmowe cząstek półprzewodnikowych
Właściwości widmowe cząstek metali
Nanocząstki hybrydowe i ich właściwości spektralne

Używane terminy

Przekrój rozpraszania różnicowego – wielkość fizyczna równa stosunkowi liczby cząstek rozproszonych w jednostce czasu na jednostkę kąta bryłowegoDΩ , do gęstości strumienia padających cząstek
Całkowity przekrój rozpraszania – jest przekrojem poprzecznym rozpraszania różnicowego zintegrowanym po pełnym kącie bryłowym
Szybkość absorpcji – odwrotność odległości, na jaką zmniejsza się strumień promieniowania monochromatycznego tworzącego wiązkę równoległą w wyniku absorpcji w ośrodkumi raz

Co się stało nanocząstki?

Nanocząstki odnoszą się do obiektów o rozmiarach od kilku nanometrów do kilkuset nanometrów. Z reguły są to kryształy w skali nanometrowej ( nanokryształy) lub duże cząsteczki

1 – fuleren C 60; 2 – jednowarstwowa półprzewodnikowa kropka kwantowa; 3 – kropka kwantowa typu „rdzeń-powłoka”; 4 – obraz TEM nanocząstek złota; 5 – Obraz TEM nanocząstek srebra.

Kropki kwantowe

Rozważymy głównie szczególny przypadek nanocząstek - kropki kwantowe. Kropka kwantowa to kryształ, w którym ruch nośników ładunku (elektronów lub dziur) jest ograniczony we wszystkich trzech wymiarach. Kropka kwantowa składa się z setek atomów!

Obecnie chemicy są w stanie syntetyzować kropki kwantowe o najróżniejszym składzie. Najpopularniejsze kropki kwantowe są oparte na kadmie (np. CDSe).

Nanooptyka bada właściwości fizyczne, strukturę i metody wytwarzania pól świetlnych zlokalizowanych w skali nanometrowej.
Tradycyjna optyka i fizyka laserów radzić sobie z polami świetlnymi w strefie dalekiej (falowej). R" λ.
Specyfika zakresu optycznego– przybliżenie dipolowe rozmiar emitera A" λ → a ~0,1 – 1 nm; λ ~0,2 – 1 µm (UV – IR).
Optyka bliskiego pola (optyka podfalowa) zajmuje się polami oddalonymi od źródła (obiekt)R" λ (do kilku nm).
W takich warunkach oprócz fal zwykłych (rozchodzących się) należy wziąć pod uwagę fale zlokalizowane (zanikające)! Jest to szczególnie ważne przy rozważaniu zespoły cząstek !

Uwzględnienie interakcji bliskiego pola prowadzi do jakościowej zmiany zachowania pól

Uwzględnienie wpływu zlokalizowanych pól prowadzi do możliwości propagacji światła, którego polaryzacja jest skierowana zgodnie z kierunkiem propagacji. Fale takie (zwane podłużnymi) nie są uwzględniane w konwencjonalnej optyce. Jednak podczas pracy z obiektami nanometrowymi natężenia takich fal mogą przekraczać intensywności konwencjonalnych (poprzecznych) fal elektromagnetycznych.

Najprostszy rozdzielacz nanofotoniczny

Lewy: Polaryzacja w kierunku X, przed siebie propagacja fali

Po prawej: Polaryzacja w kierunku Y, przez propagacja fali

Cechy procesów optycznych zachodzących w skali nanometrowej

Należy wziąć pod uwagę wpływ zlokalizowanych pól
Pola elektromagnetyczne w pobliżu nanostruktur znacznie różnią się od pól w wolnej przestrzeni i w materiałach sypkich
Okoliczności te są szczególnie istotne przy rozpatrywaniu efektów zachodzących w pobliżu granic nanostruktur, a także podczas oddziaływania blisko położonych nanocząstek
Zlokalizowane pola występują w ograniczonych częściach przestrzeni, ale natężenia takich pól mogą być znaczne, co może prowadzić do wystąpienia nieliniowych zjawisk optycznych
Jeżeli badane nanoobiekty mają rozmiary mniejsze niż 10 nm, efekty kwantowe mogą zacząć odgrywać rolę, co doprowadzi do niestosowalności koncepcji stałej dielektrycznej

Właściwości spektralne nanocząstek półprzewodnikowych

W materiale sypkim elektron może zajmować dowolną niezajętą pozycję w paśmie przewodnictwa. Widmo fotonów emitowanych podczas powrotu elektronu do pasma walencyjnego jest ciągłe.
W kropce kwantowej występuje przestrzennie ograniczone zmniejszenie dolnej części pasma przewodnictwa i zwiększenie górnej części pasma walencyjnego. Ze względu na prawa mechaniki kwantowej dopuszczalne poziomy energii elektronu tworzą dyskretne widmo.

Poziomy energii w kropce kwantowej

Poziomy energii elektronu i dziury są odwrotnie proporcjonalne do kwadratu szerokości kropki kwantowej! Wybierając różne rozmiary i kształty kropek kwantowych, możesz sprawić, że będą emitować lub pochłaniać światło dana długość fali. Umożliwia to użycie ten sam materiał, ale różne rozmiary i kształty, tworzą źródła światła emitujące w danym zakresie widmowym!

Widma emisyjne kropek kwantowych

Zależność fluorescencji kropek kwantowych typu rdzeń-powłoka CdSe/ZnS naświetlanych światłem o długości fali l = 470 nm od promienia rdzenia.

Znormalizowane widma emisji kropek kwantowych In(Ga)As umieszczonych w matrycy GaAs.

Podobnie jak w przypadku nanocząstek półprzewodnikowych, właściwości spektralne cząstek metali zależą w istotny sposób od ich wielkości i kształtu. Jednak w odróżnieniu od półprzewodników, w przypadku metali zjawisko to związane jest głównie ze wzbudzeniem plazmony . Kiedy światło oddziałuje z elektronami, które mogą swobodnie poruszać się po metalu, położenie elektronów względem położenia jonów w sieci krystalicznej zaczyna oscylować z częstotliwością plazmy ωp. Kwanty oscylacji plazmy nazywane są plazmony .

W przypadku oddziaływania światła z powierzchnią metalu fala elektromagnetyczna wnika w metal jedynie na bardzo krótkie odległości (poniżej 50 nm dla srebra i złota), dlatego też główny udział w drganiach mają elektrony znajdujące się w pobliżu powierzchnia. Ich zbiorowe wibracje nazywane są propagujące plazmony powierzchniowe . Jeżeli wolne elektrony ograniczają się do pewnej skończonej objętości metalu (co ma miejsce w przypadku nanocząstek metalu), drgania są zlokalizowane, a ich kwanty nazywane są zlokalizowane plazmony powierzchniowe .

Rezonans plazmonowy

Jeśli oscylacje plazmonów wzbudzone w różnych częściach kryształu zakłócają się konstruktywnie, zjawisko to zachodzi plazmoniczny rezonans . W tym przypadku przekrój ekstynkcji (absorpcja + rozpraszanie) znacznie wzrasta. Położenie piku w widmie, a także jego wielkość, w istotny sposób zależą od kształtu cząstki i jej wielkości.

Mody oscylacji plazmonów wzbudzane przez naświetlanie nano-trójkąta wiązką elektronów o różnych energiach. W zależności od energii maksima pola pojawiają się w rogach, w pobliżu środków ścian i w środku trójkąta

Zależność widm nanocząstek metali od ich kształtu i wielkości

Maksima w widmach rozpraszania dla różnych nanocząstek metali: a) nanopryzmaty srebra; b) koraliki złote o wielkości 100 nm; c) koraliki złote o wielkości 50 nm; d) koraliki srebrne o wielkości 100 nm; e) koraliki srebrne o wielkości 80 nm; f) koraliki srebrne o wielkości 40 nm.

Zależność widma ekstynkcji nanocząstek srebra od kształtu cząstki.

Właściwości widmowe cząstek metali

Właściwości widmowe nanocząstek metali są powiązane ze zjawiskiem rezonansu zlokalizowanych plazmonów powierzchniowych
Położenie, wielkość i kształt widm ekstynkcji nanocząstek metali zależą od kształtu i wielkości nanocząstek
Zmieniając rozmiar i kształt nanocząstki metalu, możemy zapewnić, że maksymalny przekrój poprzeczny ekstynkcji mieści się w pożądanym zakresie widmowym
Wykorzystując tę właściwość, możliwe jest znaczne zwiększenie wydajności ogniw słonecznych dzięki absorpcji różnych części widma słonecznego przez różne nanocząstki

Nanocząstki hybrydowe

Hybrydowy nanocząstki składają się z różnych materiałów, takich jak metal i półprzewodniki. Ponieważ właściwości różnych materiałów zmieniają się w różny sposób wraz ze zmniejszaniem się rozmiaru, opisując właściwości optyczne nanocząstek hybrydowych, należy wziąć pod uwagę interakcję pomiędzy różnymi składnikami tworzącymi nanoobiekt.

Właściwości optyczne nanocząstek hybrydowych rozważymy na przykładzie nanocząstek metaloorganicznych typu „core-shell”, składających się z metalowego rdzenia i powłoki barwnikowej w tzw. stanie agregatowym.

Względne położenie niezakłóconych pików rezonansu plazmonowego rdzenia (Ag i Au) i piku ekscytonu powłoki barwnika J-agregatu (TC, OC, PIC)

Typowe widma absorpcji światła agregatu Ag/J i nanocząstek hybrydowych Au/J-jednostka

Zależność charakteru widm fotoabsorpcji hybrydowych nanocząstek Ag/J ( pozycje szczytowe i intensywności) na grubość zewnętrznej powłoki barwnika przy stałym promieniu rdzenia

Grubość powłoki: ℓ=2 nm (1); ℓ= 4 nm (2); ℓ= 6 nm (3); ℓ= 8 nm (4); ℓ= 10 nm (5); ℓ=12 nm (6). Promień rdzenia nanocząstki nie zmienia się: R= 30 nm

Zależność właściwości optycznych nanocząstek hybrydowych od ich kształtu

Obiekt badań: 2-warstwowe nanocząstki sferoidalne z rdzeniem metalowym (Ag, Au), pokryte agregatem J barwnika cyjaninowego.

Zależność widma absorpcyjnego układów kompozytowych Ag/J-kruszywo od parametrów geometrycznych

Właściwości spektralne nanocząstek hybrydowych

Właściwości widmowe cząstek hybrydowych znacznie różnią się od właściwości składników tworzących nanocząstkę
Oddziaływanie składników nanocząstek może prowadzić do przesunięcia położenia pików w przekrojach absorpcji, pojawienia się nowych pików, a także zmiany wartości pików w przekrojach absorpcji
Położenie i liczba pików w przekrojach absorpcji zależy od kształtu nanocząstki
W przypadku cząstek niesferycznych położenia maksimów absorpcji zależą od polaryzacji padającego promieniowania
Dobierając różne parametry geometryczne nanocząstki hybrydowej można uzyskać przesunięcie pików absorpcji do pożądanego obszaru widmowego, co otwiera możliwość kontrolowania właściwości widmowych nanocząstek hybrydowych

wnioski

Właściwości optyczne nanocząstek radykalnie różnią się od właściwości materiału sypkiego
W przypadku prawie wszystkich nanocząstek charakterystyka widmowa zmienia się znacząco wraz ze zmianami kształtu i wielkości cząstek
Zmieniając parametry geometryczne nanocząstek, można uzyskać wymagane właściwości optyczne
Rozważając zespoły nanocząstek, należy wziąć pod uwagę interakcję pomiędzy poszczególnymi cząstkami
Właściwości spektralne nanocząstek hybrydowych różnią się od właściwości składników, z których są zbudowane (całość nie jest równa sumie części!)

Bibliografia

L. Nowotny, B. Hecht, Podstawynanooptyka, Moskwa, Fizmatlit 2011
Y. Masumoto, T. Takagahara, Półprzewodnik Kropki kwantowe, Springer-Verlag Berlin Heidelberg Nowy Jork, 2002
VS. Lebedev i in., Colloids and Surfaces A 326, 204 (2008); Elektronika kwantowa 40, 246 (2010)
V.S. Lebiediew, A.S. Miedwiediew, Quantum Electronics 42, 701 (2012); Elektronika Kwantowa 43, nr 11 (2013); J.Russ. Rozdzielczość lasera 34303(2013)
R.B. Wasiliew, D.N. Dirin, A.M. Gaskov, Uspekhi Khimii, 80, 1190 (2011)
V. M. Agranovich, Yu. N. Gartstein i M. Litinskaya, Chemical Reviews, 111, 5179 (2011)
ON. Schaefera, Nanonauka, Springer Heidelberg Dordrecht Londyn Nowy Jork, 2010
Sergio G. Rodrigo, Właściwości optyczne NanostrukturalnyMetaliczny Systemy, Springer Heidelberg Dordrecht Londyn Nowy Jork, 2012