Плазмонные наночастицы - Википедия - 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:

куда это волновое число электрического поля, - радиус частицы, относительный диэлектрическая проницаемость из диэлектрик средний и это относительная диэлектрическая проницаемость наночастицы, определяемой

также известный как Модель Друде для свободных электронов, где это плазменная частота, - частота релаксации носителей заряда, а - 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

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

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 Scholarоткрытый доступ
  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. ^ а б 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  3204364открытый доступ
  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)