Nanocząstki plazmoniczne

FDTD interakcji impulsowej fali płaskiej z nanocząstkami plazmonowymi

Nanocząsteczki plazmoniczne to cząstki, których gęstość elektronowa może łączyć się z promieniowaniem elektromagnetycznym o długości fali znacznie większej niż cząstka ze względu na charakter granicy faz dielektryk - metal między ośrodkiem a cząstkami: w przeciwieństwie do czystego metalu, gdzie istnieje maksymalna granica jaka długość fali może być skutecznie sprzężona w oparciu o rozmiar materiału.

Tym, co odróżnia te cząstki od normalnych plazmonów powierzchniowych, jest to, że nanocząstki plazmoniczne wykazują również interesujące właściwości rozpraszania , absorbancji i sprzęgania w oparciu o ich geometrię i względne położenie. Te unikalne właściwości sprawiły, że stały się przedmiotem badań w wielu zastosowaniach, w tym w ogniwach słonecznych, spektroskopii, wzmacnianiu sygnału w obrazowaniu i leczeniu raka. Ich wysoka czułość identyfikuje je również jako dobrych kandydatów do projektowania oprzyrządowania mechano-optycznego.

Plazmony to oscylacje swobodnych elektronów, które są konsekwencją tworzenia się dipoli w materiale pod wpływem fal elektromagnetycznych. Elektrony migrują w materiale, aby przywrócić jego stan początkowy; jednak fale świetlne oscylują, co prowadzi do stałego przesunięcia dipola, co zmusza elektrony do oscylacji z tą samą częstotliwością co światło. To sprzężenie występuje tylko wtedy, gdy częstotliwość światła jest równa lub mniejsza od częstotliwości plazmy i jest największa przy częstotliwości plazmy, która dlatego jest nazywana częstotliwością rezonansową . Przekroje poprzeczne rozpraszania i absorbancji opisują intensywność danej częstotliwości, która ma być rozproszona lub pochłonięta. Istnieje wiele procesów wytwarzania lub metod syntezy chemicznej służących do wytwarzania takich nanocząstek, w zależności od pożądanego rozmiaru i geometrii.

Nanocząsteczki mogą tworzyć klastry (tak zwane „cząsteczki plazmoniczne”) i wchodzić ze sobą w interakcje, tworząc stany klastrów. Symetria nanocząstek i rozmieszczenie elektronów w ich obrębie może wpływać na rodzaj wiązania lub charakteru antywiązania między nanocząstkami, podobnie jak orbitale molekularne. Ponieważ światło łączy się z elektronami, światło spolaryzowane może być użyte do kontrolowania rozkładu elektronów i zmiany symbolu terminu mulliken dla nieredukowalnej reprezentacji. Zmiana geometrii nanocząstek może być wykorzystana do manipulowania aktywnością optyczną i właściwościami układu, ale może to zrobić również światło spolaryzowane poprzez obniżenie symetrii przewodzących elektronów wewnątrz cząstek i zmianę momentu dipolowego klastra. Klastry te mogą być używane do manipulowania światłem w skali nano.

Teoria

Równania kwazistatyczne opisujące przekroje poprzeczne rozpraszania i absorbancji dla bardzo małych sferycznych nanocząstek to:

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

${\ Displaystyle {{\ sigma} _ {\ rm {abs}}} = 4 \ pi k {{R} ^ {3}} \ operatorname {Im} \ lewo | {\ Frac {{{\ varepsilon} _ { \rm {cząstka}}}-{{\varepsilon}_{\rm {medium}}}}{{\varepsilon}_{\rm {cząsteczka}}}+2{{\varepsilon}_{\rm { średni}}}}}\prawo|}$

gdzie jest liczbą falową pola elektrycznego, jest promieniem cząstki, $medium} }}}$ ${ {\$ $\ Displaystyle$ to względna przenikalność dielektryka i $\ rm {cząstka}}}}$ { względna przenikalność nanocząstki określona przez

$\ Displaystyle {{\ varepsilon} _ {\ rm {cząstka}}} = 1 - {\ Frac {\ omega _ {\ rm {p}}^{2}}{{{\omega}^{2}}+\mathrm {i} {\omega}{\gamma}}}}$

znany również jako model Drude'a dla swobodnych elektronów, gdzie ${{\ omega} _ {\ rm {p}}}}$ częstotliwością plazmy , jest częstotliwością relaksacji $Displaystyle$ ładunek przenosi, a $.$ częstotliwość promieniowania elektromagnetycznego To równanie jest wynikiem rozwiązania równania różniczkowego dla oscylatora harmonicznego z siłą napędową proporcjonalną do pola elektrycznego, któremu poddana jest cząstka. Aby uzyskać dokładniejsze wyprowadzenie, zobacz plazmon powierzchniowy .

Logicznie wynika z tego, że warunki rezonansu dla tych równań są osiągane, gdy mianownik jest taki, że jest bliski zeru

${\ Displaystyle {{\ varepsilon} _ {\ rm {cząstka}}} + 2 {{\ varepsilon} _ {\ rm {średni} }}\około 0}$

Gdy ten warunek jest spełniony, przekroje są maksymalne.

Te przekroje dotyczą pojedynczych, kulistych cząstek. Równania zmieniają się, gdy cząstki są niesferyczne lub są sprzężone z 1 lub większą liczbą innych nanocząstek, na przykład gdy zmienia się ich geometria. Ta zasada jest ważna dla kilku zastosowań.

Przeprowadzono rygorystyczną analizę elektrodynamiczną oscylacji plazmy w kulistej nanocząstce metalu o skończonej wielkości.

Aplikacje

Plazmoniczne ogniwa słoneczne

Ze względu na ich zdolność do rozpraszania światła z powrotem do struktury fotowoltaicznej i niską absorpcję, nanocząstki plazmoniczne są badane jako metoda zwiększania wydajności ogniw słonecznych. Zmuszanie większej ilości światła do pochłaniania przez dielektryk zwiększa wydajność.

Plazmony mogą być wzbudzane promieniowaniem optycznym i indukować prąd elektryczny z gorących elektronów w materiałach wytworzonych z cząstek złota i światłoczułych cząsteczek porfiny , o precyzyjnych rozmiarach i określonych wzorach. Długość fali, na którą reaguje plazmon, jest funkcją wielkości i odstępów między cząstkami. Materiał jest wytwarzany przy użyciu nanolitografii ferroelektrycznej . W porównaniu z konwencjonalnym fotowzbudzeniem materiał wytwarzał trzy do 10 razy większy prąd.

Spektroskopia

W ciągu ostatnich 5 lat nanocząstki plazmoniczne były badane jako metoda spektroskopii o wysokiej rozdzielczości . Jedna grupa wykorzystała 40 nm nanocząsteczek złota, które zostały sfunkcjonalizowane w taki sposób, że wiązały się specyficznie z receptorami naskórkowego czynnika wzrostu, aby określić gęstość tych receptorów w komórce. Technika ta opiera się na fakcie, że efektywna geometria cząstek zmienia się, gdy pojawiają się one w odległości jednej średnicy cząstki (40 nm) od siebie. W tym zakresie informacja ilościowa o EGFR w błonie komórkowej można odzyskać na podstawie przesunięcia częstotliwości rezonansowej cząstek plazmonicznych.

Lek na raka

Nanocząsteczki plazmoniczne wykazały szeroki potencjał w tworzeniu innowacyjnych metod leczenia raka. Mimo to wciąż nie ma zastosowania w praktyce klinicznej nanomateriałów plazmonicznych ze względu na związaną z tym trwałość metali. Wstępne badania wskazują, że niektóre nanomateriały, w tym złote nanopręty i ultramałe architektury w nano, mogą przekształcać światło lasera podczerwonego w miejscowe ciepło, również w połączeniu z innymi uznanymi metodami leczenia raka .

Zobacz też