Локализованный поверхностный плазмон - Localized surface plasmon

Свет, падающий на металлическую наночастицу, вызывает колебания электронов зоны проводимости. Это локализованный поверхностный плазмон.

А локализованный поверхностный плазмон (LSP) является результатом ограничения поверхностный плазмон в наночастица размером сравнимый или меньший, чем длина волны свет используется для возбуждения плазмон. Когда небольшая сферическая металлическая наночастица облучается светом, осциллирующее электрическое поле заставляет электроны проводимости когерентно колебаться. Когда электронное облако смещается относительно своего исходного положения, восстанавливающая сила возникает из-за кулоновского притяжения между электронами и ядрами. Эта сила заставляет электронное облако колебаться. Частота колебаний определяется плотностью электронов, эффективной массой электронов, а также размером и формой распределения заряда.[1] LSP имеет два важных эффекта: электрические поля вблизи поверхности частицы сильно увеличиваются, и оптическое поглощение частицы имеет максимум на плазмон резонансная частота. Поверхностный плазмонный резонанс также можно настроить в зависимости от формы наночастицы.[1] Частоту плазмона можно связать с диэлектрической проницаемостью металла.[1] Усиление быстро спадает с удалением от поверхности, а при благородный металл наночастиц резонанс возникает в видимых длинах волн.[2] Локализованный поверхностный плазмонный резонанс создает яркие цвета в коллоидных растворах металлов.[3]

Для металлов, таких как серебро и золото, на частоту колебаний также влияют электроны на d-орбиталях. Серебро - популярный выбор в плазмонике, которая изучает эффект связи света с зарядами, поскольку оно может поддерживать поверхностный плазмон в широком диапазоне длин волн (300-1200 нм), а длина волны его пикового поглощения легко изменяется.[2] Например, длина волны пика поглощения треугольных наночастиц серебра была изменена путем изменения резкости углов треугольников. Он подвергся синему смещению, поскольку угловая резкость треугольников уменьшилась.[4] Кроме того, длина волны пика поглощения претерпела красное смещение по мере увеличения количества восстановителя (HAuCl4), и пористость частиц увеличилась.[3] Для полупроводниковых наночастиц максимальное оптическое поглощение часто приходится на ближнюю и среднюю инфракрасную области.[5][6]

Распространение поверхностных плазмонов

Локализованные поверхностные плазмоны отличаются от распространяющихся поверхностных плазмонов. В локализованных поверхностных плазмонах электронное облако колеблется коллективно. При распространении поверхностных плазмонов поверхностный плазмон распространяется вперед и назад между концами структуры. Распространяющиеся поверхностные плазмоны также должны иметь по крайней мере одно измерение, которое близко или больше длины волны падающего света. Волны, создаваемые распространяющимися поверхностными плазмонами, также можно настраивать, управляя геометрией металлической наноструктуры.[2]

Характеристика и исследование локализованных поверхностных плазмонов

Целью плазмоники является понимание поверхностных плазмонов и управление ими в наномасштабе, поэтому характеристика поверхностных плазмонов важна. Некоторые методы, часто используемые для характеристики поверхностных плазмонов, - это микроскопия темного поля, спектроскопия УФ-видимого-ИК-диапазона и комбинационное рассеяние света с усилением поверхности (SERS).[2] С помощью темнопольной микроскопии можно контролировать спектр отдельной металлической наноструктуры при изменении поляризации падающего света, длины волны или изменений диэлектрической среды.[7]

Приложения

Золотые наночастицы, изображенный здесь под растровый электронный микроскоп, демонстрируют сильные резонансы LSP.

В плазмон резонансная частота очень чувствителен к показатель преломления окружающей среды; изменение в показатель преломления приводит к сдвигу в резонансная частота. Поскольку резонансную частоту легко измерить, это позволяет использовать наночастицы LSP для наноразмер зондирования приложений.[8] Кроме того, наночастицы, проявляющие сильные свойства LSP, такие как золото наностержни, может усилить сигнал при обнаружении поверхностного плазмонного резонанса.[9][10] Наноструктуры, демонстрирующие резонансы LSP, используются для усиления сигналов в современных аналитические методы на основе спектроскопия. Другие приложения, которые полагаются на эффективное преобразование света в тепло в наномасштабе: магнитная запись с подогревом (HAMR), фототермическая терапия рака, и термофотовольтаика.[11] До сих пор не реализованы высокоэффективные приложения с использованием плазмоники из-за высоких омических потерь внутри металлов, особенно в оптическом спектральном диапазоне (видимом и ближнем ИК).[12][13] Кроме того, поверхностные плазмоны использовались для создания суперлинз, плащей-невидимок и для улучшения квантовых вычислений.[14][15][16] Еще одна интересная область исследований в плазмонике - это способность «включать» и «выключать» плазмоны посредством модификации другой молекулы. Возможность включать и выключать плазмоны имеет важные последствия для повышения чувствительности методов обнаружения.[2] Недавно супрамолекулярный хромофор был соединен с металлической наноструктурой. Это взаимодействие изменило свойства локализованного поверхностного плазмонного резонанса серебряной наноструктуры за счет увеличения интенсивности поглощения.[17]  

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Келли, К. Лэнс (21 декабря 2002 г.). «Оптические свойства металлических наночастиц: влияние размера, формы и диэлектрической среды». 107: 668–677. Дои:10.1021 / jp026731y. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  2. ^ а б c d е Рыценга, Мэтью; Cobley, Claire M .; Цзэн, Цзе; Ли, Вэйян; Moran, Christine H .; Чжан, Цян; Цинь, Донг; Ся, Юнан (2011). «Управление синтезом и сборкой серебряных наноструктур для плазмонных приложений». Chem. Rev. 111 (6): 3669–3712. Дои:10.1021 / cr100275d. ЧВК  3110991. PMID  21395318.
  3. ^ а б Skrabalak, Sara E .; Ау, Лесли; Ли, Синдэ; Ся, Юнан (сентябрь 2007 г.). «Простой синтез нанокубиков Ag и наноклеток Au». Протоколы природы. 2 (9): 2182–2190. Дои:10.1038 / nprot.2007.326. ISSN  1750-2799. PMID  17853874.
  4. ^ Цзэн, Цзе; Робертс, Стефан; Ся, Юнан (2010). «Время-температурные индикаторы на основе нанокристаллов». Химия - Европейский журнал. 16 (42): 12559–12563. Дои:10.1002 / chem.201002665. ISSN  1521-3765. PMID  20945450.
  5. ^ Лю, Синь; Свихарт, Марк Т. (2014). «Сильно легированные нанокристаллы коллоидных полупроводников и оксидов металлов: новый класс плазмонных наноматериалов». Chem. Soc. Rev. 43 (11): 3908–3920. Дои:10.1039 / c3cs60417a. PMID  24566528.
  6. ^ Чжоу, Шу; Пи, Сяодун; Ни, Чжэньи; Дин, Йи; Цзян, Иньин; Цзинь, Чуаньхун; Делеру, Кристоф; Ян, Дерен; Нодзаки, Томохиро (2015). «Сравнительное исследование локализованного поверхностного плазмонного резонанса нанокристаллов кремния, легированного бором и фосфором». САУ Нано. 9 (1): 378–386. Дои:10.1021 / nn505416r. PMID  25551330.
  7. ^ Хаес, Аманда Дж .; Ван Дайн, Ричард П. (2004-08-01). «Единый взгляд на распространяющиеся и локализованные биосенсоры поверхностного плазмонного резонанса». Аналитическая и биоаналитическая химия. 379 (7): 920–930. Дои:10.1007 / s00216-004-2708-9. ISSN  1618-2650. PMID  15338088.
  8. ^ Майер, Кэтрин М .; Хафнер, Джейсон Х. (2011). «Датчики локализованного поверхностного плазмонного резонанса». Химические обзоры. Плазмоника (111): 3828–3857. Дои:10.1021 / cr100313v. PMID  21648956.
  9. ^ Лу, Джеки Фонг-Чуэн; Ян, Чэнбинь; Цанг, Хинг Лунь; Лау, Пуи Ман; Йонг, Кен-Тай; Хо, Хо Пуи; Конг, Сиу Кай (2017). «Анализ Aptamer Bio-barCode (ABC) с использованием SPR, РНКазы H и зондов с РНК и золотыми наностержнями для скрининга противораковых препаратов». Аналитик. 142 (19): 3579–3587. Bibcode:2017Ana ... 142.3579L. Дои:10.1039 / C7AN01026E. ISSN  0003-2654. PMID  28852760.
  10. ^ Ло, Винг-Чунг; Йонг, Кен-Тай; Баев, Александр; Ху, Руи; Прасад, Парас Н. (12.10.2009). «Наночастицы, усиленные поверхностным плазмонным резонансным биосенсором: применение золотых наностержней». Оптика Экспресс. 17 (21): 19041–19046. Bibcode:2009OExpr..1719041L. Дои:10.1364 / OE.17.019041. ISSN  1094-4087. PMID  20372639.
  11. ^ Эль-Каббаш, Мохамед; и другие. (2017). «Настраиваемое черное золото: управление связью в ближнем поле иммобилизованных наночастиц Au, встроенных в мезопористые капсулы кремнезема». Современные оптические материалы. 5 (21): 1700617. Дои:10.1002 / adom.201700617.
  12. ^ Хургин, Яков (2015). «Как бороться с потерями в плазмонике и метаматериалах». Природа Нанотехнологии. 10 (1): 2–6. arXiv:1411.6577. Bibcode:2015НатНа..10 .... 2K. Дои:10.1038 / nnano.2014.310. PMID  25559961.
  13. ^ Эль-Каббаш, Мохамед; и другие. (2017). «Сверхбыстрая нестационарная динамика оптических потерь в экситон-плазмонных наносистемах». Наномасштаб. 9 (19): 6558–6566. Дои:10.1039 / c7nr01512g. HDL:11693/37238. PMID  28470299.
  14. ^ Клык, Николай; Ли, Хесог; Сунь, Ченг; Чжан, Сян (2005-04-22). "Оптическое изображение с ограничением субдифракции с помощью серебряной суперлинзы". Наука. 308 (5721): 534–537. Дои:10.1126 / science.1108759. ISSN  0036-8075. PMID  15845849.
  15. ^ Шалаев, Владимир М. (январь 2007 г.). «Оптические метаматериалы с отрицательным показателем преломления». Природа Фотоника. 1 (1): 41–48. Bibcode:2007НаФо ... 1 ... 41S. Дои:10.1038 / nphoton.2006.49. ISSN  1749-4893.
  16. ^ Чанг, Д. Э .; Соренсен, А. С .; Hemmer, P.R .; Лукин, М. Д. (2006-08-03). «Квантовая оптика с поверхностными плазмонами». Письма с физическими проверками. 97 (5): 053002. arXiv:Quant-ph / 0506117. Bibcode:2006PhRvL..97e3002C. Дои:10.1103 / PhysRevLett.97.053002. PMID  17026098.
  17. ^ Чжоу, Хайбо; Ян, Дантин; Ивлева Наталья П .; Мирческу, Николета Э .; Шуберт, Серен; Нисснер, Рейнхард; Визер, Андреас; Хайш, Кристоф (07.07.2015). «Отсутствие этикеток на месте для различения живых и мертвых бактерий с помощью поверхностно-усиленного комбинационного рассеяния света». Аналитическая химия. 87 (13): 6553–6561. Дои:10.1021 / acs.analchem.5b01271. ISSN  0003-2700. PMID  26017069.