Plasmoniske nanopartikler - Plasmonic nanoparticles

Spill media

FDTD -simulering av en pulserende planbølgesamhandling med plasmoniske nanopartikler

Plasmoniske nanopartikler er partikler hvis elektrontetthet kan koble seg sammen med elektromagnetisk stråling av bølgelengder som er langt større enn partikkelen på grunn av naturen til det dielektriske - metallgrensesnittet mellom mediet og partiklene: i motsetning til i et rent metall hvor det er en maksimal grense for hvilken størrelse bølgelengde kan effektivt kobles basert på materialstørrelsen.

Det som skiller disse partiklene fra normale overflateplasmoner er at plasmoniske nanopartikler også viser interessante sprednings- , absorbans- og koblingsegenskaper basert på deres geometrier og relative posisjoner. Disse unike egenskapene har gjort dem til et fokus for forskning i mange applikasjoner, inkludert solceller, spektroskopi, signalforbedring for bildebehandling og kreftbehandling. Deres høye følsomhet identifiserer dem også som gode kandidater for å designe mekano-optisk instrumentering.

Plasmoner er svingningene til frie elektroner som er en konsekvens av dannelsen av en dipol i materialet på grunn av elektromagnetiske bølger. Elektronene migrerer i materialet for å gjenopprette sin opprinnelige tilstand; lysbølgene svinger imidlertid, noe som fører til et konstant skift i dipolen som tvinger elektronene til å svinge med samme frekvens som lyset. Denne koblingen skjer bare når lysets frekvens er lik eller mindre enn plasmafrekvensen og er størst ved plasmafrekvensen som derfor kalles resonansfrekvensen . Sprednings- og absorbans-tverrsnittene beskriver intensiteten til en gitt frekvens som skal spres eller absorberes. Mange fabrikasjonsprosesser eller kjemiske syntesemetoder eksisterer for fremstilling av slike nanopartikler, avhengig av ønsket størrelse og geometri.

Nanopartiklene kan danne klynger (de såkalte "plasmoniske molekylene") og samhandle med hverandre for å danne klyngetilstander. Symmetrien til nanopartiklene og fordelingen av elektronene i dem kan påvirke en type bindings- eller antibindende karakter mellom nanopartiklene på samme måte som molekylære orbitaler. Siden lys kobles med elektronene, kan polarisert lys brukes til å kontrollere fordelingen av elektronene og endre mulliken -termsymbolet for den ureduserbare representasjonen. Endring av geometrien til nanopartiklene kan brukes til å manipulere systemets optiske aktivitet og egenskaper, men det kan det polariserte lyset også ved å senke symmetrien til de ledende elektronene inne i partiklene og endre dipolmomentet i klyngen. Disse klyngene kan brukes til å manipulere lys på nanoskalaen.

Teori

De kvasistatiske ligningene som beskriver tverrsnittene for spredning og absorbans for svært små sfæriske nanopartikler er:

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

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

hvor er bølgetallet til det elektriske feltet, er radius av partikkelen, er den relative permittiviteten til det dielektriske mediet og er den relative permittiviteten til nanopartikkelen definert av ${\ displaystyle k}$${\ displaystyle R}$${\ displaystyle {{\ varepsilon} _ {\ rm {medium}}}}$${\ displaystyle {{\ varepsilon} _ {\ rm {particle}}}}$

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

også kjent som Drude modell for frie elektroner hvor ble plasmafrekvens , er det avslapping frekvensen av ladningen bærer, og er frekvensen av den elektromagnetiske stråling. Denne ligningen er resultatet av å løse differensialligningen for en harmonisk oscillator med en drivkraft proporsjonal med det elektriske feltet som partikkelen utsettes for. For en mer grundig avledning, se overflate plasmon . ${\ displaystyle {{\ omega} _ {\ rm {p}}}}$${\ displaystyle {\ gamma}}$${\ displaystyle \ omega}$

Det følger logisk at resonansbetingelsene for disse ligningene er nådd når nevneren er rundt null slik at

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

Når denne betingelsen er oppfylt, er tverrsnittene maksimalt.

Disse tverrsnittene er for enkelt, sfæriske partikler. Ligningene endres når partikler er ikke-sfæriske, eller er koblet til 1 eller flere andre nanopartikler, for eksempel når deres geometri endres. Dette prinsippet er viktig for flere bruksområder.

Streng elektrodynamisk analyse av plasmasvingninger i en sfærisk metall -nanopartikkel av en endelig størrelse ble utført i.

applikasjoner

Plasmoniske solceller

På grunn av deres evne til å spre lys tilbake i den fotovoltaiske strukturen og lave absorpsjonen, blir plasmoniske nanopartikler undersøkt som en metode for å øke solcelleeffektiviteten. Å tvinge mer lys til å bli absorbert av dielektrikumet øker effektiviteten.

Plasmoner kan begeistres av optisk stråling og indusere en elektrisk strøm fra varme elektroner i materialer fremstilt av gullpartikler og lysfølsomme molekyler av porfin , med presise størrelser og spesifikke mønstre. Bølgelengden som plasmon reagerer på er en funksjon av størrelsen og avstanden til partiklene. Materialet er produsert ved hjelp av ferroelektrisk nanolitografi . Sammenlignet med konvensjonell fotoeksitasjon , produserte materialet tre til ti ganger strømmen.

Spektroskopi

I løpet av de siste 5 årene har plasmoniske nanopartikler blitt utforsket som en metode for høyoppløselig spektroskopi . En gruppe brukte 40 nm gullnanopartikler som hadde blitt funksjonalisert slik at de spesifikt ville binde seg til epidermale vekstfaktorreseptorer for å bestemme tettheten til disse reseptorene på en celle. Denne teknikken er avhengig av det faktum at den effektive geometrien til partiklene endres når de vises innenfor en partikkeldiameter (40 nm) fra hverandre. Innenfor dette området kan kvantitativ informasjon om EGFR -tettheten i cellemembranen hentes basert på endringen i resonansfrekvensen til de plasmoniske partiklene.

Kreftbehandling

Foreløpig forskning indikerer at absorpsjon av gull -nanoroder som er funksjonalisert med epidermal vekstfaktor er nok til å forsterke effekten av lavstrålende laserlys slik at det kan brukes til målrettede strålebehandlinger.

Se også

• Lokalisert overflateplasmon
• Plasmoniske metamaterialer

Referanser