Плазмонные наночастицы - Plasmonic nanoparticles

Плазмонные наночастицы частицы, электронная плотность которых может пара с электромагнитное излучение длин волн, которые намного больше, чем частицы, из-за природы диэлектрик -металл граница раздела между средой и частицами: в отличие от чистого металла, где существует максимальный предел того, какой размер длины волны могут быть эффективно связаны в зависимости от размера материала.^[1]

Что отличает эти частицы от обычных поверхностные плазмоны в том, что плазмонные наночастицы также демонстрируют интересные рассеяние, поглощение, и связь свойства, основанные на их геометрии и взаимном расположении.^[2][3] Эти уникальные свойства сделали их объектом исследований во многих областях, включая солнечные элементы, спектроскопию, усиление сигнала для визуализации и лечение рака.^[4][5] Их высокая чувствительность также делает их хорошими кандидатами для разработки механо-оптических приборов.^[6]

Плазмоны колебания свободных электронов, которые являются следствием образования диполь в материале из-за электромагнитных волн. Электроны мигрируют в материале, чтобы восстановить его исходное состояние; однако световые волны колеблются, что приводит к постоянному смещению диполя, заставляющему электроны колебаться с той же частотой, что и свет. Эта связь возникает только тогда, когда частота света равна или меньше плазменной частоты и максимальна на плазменной частоте, которая поэтому называется резонансная частота. Сечения рассеяния и поглощения описывают интенсивность рассеяния или поглощения данной частоты. Для получения таких наночастиц существует множество производственных процессов или методов химического синтеза, в зависимости от желаемого размера и геометрии.

Наночастицы могут образовывать кластеры (так называемые «плазмонные молекулы») и взаимодействовать друг с другом с образованием кластерных состояний. Симметрия наночастиц и распределение электронов внутри них могут влиять на тип связи или антисвязывания между наночастицами аналогично молекулярным орбиталям. Поскольку свет взаимодействует с электронами, поляризованный свет можно использовать для управления распределением электронов и изменения символа термина Малликен для неприводимого представления. Изменение геометрии наночастиц можно использовать для управления оптической активностью и свойствами системы, но то же самое можно использовать для поляризованного света, понижая симметрию проводящих электронов внутри частиц и изменяя дипольный момент кластера. Эти кластеры можно использовать для управления светом в наномасштабе.^[7]

Теория

Квазистатические уравнения, описывающие рассеяние и поглощение поперечные сечения для очень маленьких сферических наночастиц:

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

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

куда ${\displaystyle k}$ это волновое число электрического поля, ${\displaystyle R}$ - радиус частицы, ${\displaystyle {{\varepsilon }_{\rm {medium}}}}$ относительный диэлектрическая проницаемость из диэлектрик средний и ${\displaystyle {{\varepsilon }_{\rm {particle}}}}$ это относительная диэлектрическая проницаемость наночастицы, определяемой

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

также известный как Модель Друде для свободных электронов, где ${\displaystyle {{\omega }_{\rm {p}}}}$ это плазменная частота, ${\displaystyle {\gamma }}$ - частота релаксации носителей заряда, а ${\displaystyle \omega }$ - частота электромагнитного излучения. Это уравнение является результатом решения дифференциальное уравнение для гармонический осциллятор с движущей силой, пропорциональной электрическому полю, которому подвергается частица. Для более подробного вывода см. поверхностный плазмон.

Из этого логично следует, что резонанс Условия для этих уравнений достигаются, когда знаменатель близок к нулю, так что

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

При выполнении этого условия сечения максимальны.

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

Строгий электродинамический анализ плазменных колебаний в сферической металлической наночастице конечного размера был проведен в работе. ^[8].

Приложения

Плазмонные солнечные элементы

Основная статья: Плазмонный солнечный элемент

Благодаря их способности рассеивать свет обратно в фотоэлектрический Структура и низкое поглощение, плазмонные наночастицы исследуются как метод повышения эффективности солнечных элементов.^[9][4] Принуждение большего количества света к поглощению диэлектриком увеличивает эффективность.^[10]

Плазмоны могут возбуждаться оптическим излучением и индуцировать электрический ток от горячие электроны в материалах, изготовленных из частиц золота и светочувствительных молекул порфин, точных размеров и конкретных рисунков. Длина волны, на которую реагирует плазмон, зависит от размера и расстояния между частицами. Материал изготовлен с использованием сегнетоэлектрик нанолитография. По сравнению с обычным фотовозбуждение, материал производит от 3 до 10 раз больше тока.^[11][12]

Спектроскопия

В последние 5 лет плазмонные наночастицы исследовались как метод высокого разрешения. спектроскопия. Одна группа использовала наночастицы золота размером 40 нм, которые были функционализированы так, что они будут специфически связываться с рецепторами эпидермального фактора роста, чтобы определить плотность этих рецепторов на клетке. Этот метод основан на том факте, что эффективная геометрия частиц изменяется, когда они появляются в пределах одного диаметра частиц (40 нм) друг от друга. В этом диапазоне количественная информация о EGFR плотность в клеточная мембрана может быть восстановлен на основе сдвига резонансной частоты плазмонных частиц.^[13]

Лечение рака

Предварительные исследования показывают, что абсорбция золотые наностержни функционализированный с фактор роста эпидермиса достаточно, чтобы усилить эффекты лазерного света малой мощности, чтобы его можно было использовать для целенаправленного лучевого лечения.^[14]

Смотрите также

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

Рекомендации

1. Юстис С., Эль-Сайед М.А. "Почему наночастицы золота более ценны, чем красивое золото: поверхностный плазмонный резонанс благородных металлов и его улучшение радиационных и безызлучательных свойств нанокристаллов различной формы ", Обзоры химического общества, т. 35, стр. 209-217, 2006. Дои:10.1039 / b514191e(требуется подписка) --via Semantic Scholar
2. Чен, Тяньхун; Пурманд, Махшид; Файзпур, Амин; Кушман, Брэдфорд; Райнхард, Бьорн М. (03.07.2013). «Адаптация плазмонной связи в самоорганизующихся одномерных цепях наночастиц Au путем одновременного управления размером и разделением зазоров». Письма в Журнал физической химии. 4 (13): 2147–2152. Дои:10,1021 / jz401066g. ISSN  1948-7185. ЧВК  3766581. PMID  24027605.
3. Цзэн, Шувен; Ю, Ся; Ло, Винг-Чунг; Чжан, Ятин; Ху, Руи; Динь, Сюань-Куен; Хо, Хо-Пуи; Йонг, Кен-Тай (2013). «Зависимость от размера поверхностного плазмонного резонанса, усиленного наночастицами золота, на основе измерения дифференциальной фазы». Датчики и исполнительные механизмы B: химические. 176: 1128–1133. Дои:10.1016 / j.snb.2012.09.073 - через ResearchGate. - через Elsevier ScienceDirect (требуется подписка)
4. Ю, Пэн; Яо, Исэнь; Ву, Цзян; Ню, Сяобинь; Рогач, Андрей Л .; Ван, Чжимин (2017-08-09). «Влияние плазмонных наночастиц с металлическим сердечником и диэлектрической оболочкой на усиление широкополосного поглощения света в тонкопленочных солнечных элементах». Научные отчеты. 7 (1): 7696. Bibcode:2017НатСР ... 7.7696Y. Дои:10.1038 / s41598-017-08077-9. ISSN  2045-2322. ЧВК  5550503. PMID  28794487.
5. Ву, Цзян; Ю, Пэн; Суша, Андрей С .; Sablon, Kimberly A .; Чен, Хайюань; Чжоу, Чжихуа; Ли, Хандонг; Джи, Хайнинг; Ню, Сяобинь (01.04.2015). «Повышение эффективности широкополосной связи в солнечных элементах с квантовыми точками в сочетании с многоточечными плазмонными нанозвездами». Нано Энергия. 13: 827–835. Дои:10.1016 / j.nanoen.2015.02.012. - через Elsevier ScienceDirect (требуется подписка)
6. Hurtado-Aviles, E.A .; Torres, J.A .; Trejo-Valdez, M .; Urriolagoitia ‐ Sosa, G .; Villalpando, I .; Торрес-Торрес, К. (28 октября 2017 г.). «Акустоплазмонное зондирование с помощью нелинейных оптических взаимодействий в биметаллических наночастицах Au-Pt». Микромашины. 8 (11): 321. Дои:10.3390 / mi8110321. ЧВК  6189711. PMID  30400510.
7. Чунтонов, Лев; Харран, Гилад (10 мая 2011 г.). «Тримерные плазмонные молекулы: роль симметрии». Нано буквы. 11 (6): 2440–2445. Bibcode:2011NanoL..11.2440C. Дои:10.1021 / nl2008532. PMID  21553898. - через ACS Publications (требуется подписка)
8. Беляев Б.А. и Тюрнев В.В. «Резонансы электромагнитных колебаний в сферической металлической наночастице». Письма о микроволновых и оптических технологиях, 2016, Т. 58, № 8, с. 1883 г. Дои:10.1002 / швабра.29930 - через онлайн-библиотеку Wiley (требуется подписка)
9. Юэ, Цзэнцзи; Цай, Боюань; Ван, Лань; Ван, Сяолинь; Гу, Мин (2016-03-01). «Плазмонные диэлектрические наноструктуры внутреннее ядро-оболочка со сверхвысоким показателем преломления». Достижения науки. 2 (3): e1501536. Bibcode:2016SciA .... 2E1536Y. Дои:10.1126 / sciadv.1501536. ISSN  2375-2548. ЧВК  4820380. PMID  27051869.
10. Ферри, В. Э., Мандей, Дж. Н., Этуотер, Х. А. «Конструктивные соображения для плазмонной фотовольтаики». Современные материалы, т. 22 сентября 2010 г. Дои:10.1002 / adma.201000488 - через онлайн-библиотеку Wiley (требуется подписка)
11. «Новый метод получения энергии из света». Курцвейл Ускорение интеллекта. Библиотека Курцвейла. 12 сентября 2013 г.. Получено 9 февраля 2020.
12. Conklin, D .; Nanayakkara, S .; Park, T. H .; Lagadec, M. F .; Stecher, J. T .; Чен, X .; Therien, M. J .; Боннелл, Д.А. (2013). «Использование плазмон-индуцированных горячих электронов в молекулярных электронных устройствах». САУ Нано. 7 (5): 4479–4486. Дои:10.1021 / nn401071d. PMID  23550717. - через ACS Publications (требуется подписка)
13. Ван, Дж., Борискина, С. В., Ван, Х., Рейнхард, Б. М. "Освещение плотности рецепторов эпидермального фактора роста на филоподиях посредством связывания плазмонов", САУ Нано, т. 5. С. 6619-6628, 2011. ЧВК  3204364
14. Реджия, К.С., Кумар, Дж., Раджи, В., Вибин, М., Абрахам, А. «Лазерная иммунотерапия с использованием золотых наностержней вызывает избирательное уничтожение опухолевых клеток». Фармакологические исследования, 2011. Дои:10.1016 / j.phrs.2011.10.005 - через Elsevier ScienceDirect (требуется подписка)