Rezonanța plasmonică a nanoparticulelor de metal. Proprietățile optice ale nanoparticulelor. Niveluri de energie într-un punct cuantic
, polariton , plasmon , nanofotonică Definiție rezonanța plasmonică (în cazul structurilor metalice la scară nanometrică - rezonanță plasmonică localizată) este excitarea unui plasmon de suprafață la frecvența sa de rezonanță de către o undă electromagnetică externă. Descriere
Plasmonul de suprafață nu este direct legat de radiația electromagnetică din mediul adiacent metalului, deoarece viteza sa este mai mică decât viteza luminii. O tehnică care permite utilizarea plasmonilor de suprafață în optică se bazează pe utilizarea reflexiei interne totale. Cu reflexia internă totală, o undă electromagnetică se propagă de-a lungul unei suprafețe care reflectă lumina, a cărei viteză este mai mică decât viteza luminii și depinde de unghiul de incidență. Dacă, la un anumit unghi de incidență, viteza acestei unde coincide cu viteza unui plasmon de suprafață pe suprafața metalului, atunci condițiile pentru reflexia internă totală vor fi încălcate, iar reflexia va înceta să fie completă, iar o suprafață va apărea rezonanța plasmonică.
În sistemele metalice la scară nanometrică, excitațiile electronice colective sunt modificate. Excitația electronică colectivă a nanoparticulelor metalice, a căror dimensiune este mai mică decât lungimea de undă a radiației electromagnetice din mediu - un plasmon de suprafață localizat - oscilează la o frecvență care este de ≈3 ori mai mică decât frecvența plasmonului în vrac, în timp ce frecvența a plasmonului de suprafață este de aproximativ ≈2 ori mai mică decât frecvența plasmonului în vrac.plasmon. Datorită dimensiunii reduse a sistemului, se elimină cerința ca viteza de propagare a excitației și a undei electromagnetice în mediul extern să coincidă, astfel încât plasmonii de suprafață localizați să fie direct legați de radiație. Când frecvența câmpului extern coincide cu frecvența plasmonului de suprafață localizat, apare o rezonanță, care duce la o creștere bruscă a câmpului pe suprafața particulelor și la o creștere a secțiunii transversale de absorbție.
Proprietățile plasmonilor localizați depind în mod critic de forma nanoparticulelor, ceea ce face posibilă reglarea sistemului rezonanțelor lor pentru o interacțiune eficientă cu lumina sau sistemele cuantice elementare.
În prezent, fenomenul rezonanței plasmonilor de suprafață este utilizat pe scară largă în crearea senzorilor chimici și biologici. La contactul cu obiecte biologice (ADN, viruși, anticorpi), nanostructurile plasmonice fac posibilă creșterea intensității semnalelor de fluorescență cu mai mult de un ordin de mărime; extinde semnificativ posibilitățile de detectare, identificare și diagnosticare a obiectelor biologice.
- Naimushina Daria Anatolievna
- Perlin E.Yu., Vartanyan T.A., Fedorov A.V. Fizica stării solide. Optica semiconductorilor, dielectricilor, metalelor: Manual. - Sankt Petersburg: SPbGU ITMO, 2008. - 216 p.
- Pompa P.P., Martiradonna L. et al. Fluorescența îmbunătățită cu metal a nanocristalelor coloidale cu control la scară nanometrică // Nature Nanotechnology - vol. 1, 2006 - p. 126-130
- Nashchekin A.V. Biosenzori bazați pe rezonanța plasmonilor de suprafață // Culegere de rezumate ale rapoartelor secționale, prezentări postere și rapoarte ale participanților la concursul de lucrări științifice ale tinerilor oameni de știință - Al doilea Forum Internațional de Nanotehnologie, 2008
Știința
Dicţionar enciclopedic de nanotehnologie. - Rusnano. 2010 .
Vedeți ce este „rezonanța plasmonică” în alte dicționare:
Engleză rezonanță plasmonică) excitarea unui plasmon de suprafață la frecvența sa de rezonanță de către o undă electromagnetică externă (în cazul structurilor metalice la scară nanometrică, se numește rezonanță plasmonică localizată). Descriere tehnică... Wikipedia
Termen nanofarmacologie Termen englezesc nanofarmacologie Sinonime Abrevieri Termeni asociați adeziune, livrare genică, anticorp, bacteriofag, proteine, membrană biologică, hipertermie, ADN, capsid, punct cuantic, kinesină, celulă... Dicţionar enciclopedic de nanotehnologie
Unelte de dimensiuni moleculare bazate pe nanotuburi... Wikipedia
Nanoangrenaje de dimensiune moleculară Nanotehnologia este un domeniu interdisciplinar al științei și tehnologiei fundamentale și aplicate care se ocupă cu un set de justificări teoretice metode practice cercetare, analiză și sinteză, precum și ... ... Wikipedia
Nanoangrenaje de dimensiune moleculară Nanotehnologia este un domeniu interdisciplinar al științei și tehnologiei fundamentale și aplicate care se ocupă cu o combinație de justificare teoretică, metode practice de cercetare, analiză și sinteză, precum și ... ... Wikipedia
Nanoangrenaje de dimensiune moleculară Nanotehnologia este un domeniu interdisciplinar al științei și tehnologiei fundamentale și aplicate care se ocupă cu o combinație de justificare teoretică, metode practice de cercetare, analiză și sinteză, precum și ... ... Wikipedia
În fizică, un plasmon este o cvasiparticulă corespunzătoare cuantizării oscilațiilor plasmatice, care sunt oscilații colective ale unui gaz de electroni liberi. Cuprins 1 Explicație 2 Utilizări posibile ... Wikipedia
În fizică, un plasmon este o cvasiparticulă corespunzătoare cuantizării oscilațiilor plasmatice, care sunt oscilații colective ale unui gaz de electroni liberi. Explicație Plasmonii joacă un rol important în proprietățile optice ale metalelor. Lumină cu frecvență... Wikipedia
Aur- (Aur) Aurul este un metal prețios Aurul: cost, mostre, preț, cumpărare, varietăți de aur Conținut >>>>>>>>>>>>>>>> Aurul este, definiție... Enciclopedia investitorului
Spectroscopia optică de absorbție este una dintre cele mai vechi metode de analiză fizico-chimică a biomoleculelor. Cu toate acestea, sensibilitatea redusă și rezoluția spațială nu permit studierea proceselor care implică concentrații scăzute de proteine. Oamenii de știință de la Berkeley au reușit să „prelungească vârsta” metodei optice, asociind-o cu un alt principiu folosit în cercetarea biofizică și biochimică - rezonanța plasmonică. S-a dovedit că în spectrul de împrăștiere elastică pe nanoparticulele de aur introduse într-o celulă pot apărea „căderi” specifice, corespunzătoare frecvențelor la care unele molecule biologice (de exemplu, metaloproteine) absorb. Cercetătorii numesc acest efect migrarea energiei de rezonanță a plasmonilorși explicați-o prin interacțiunea directă a particulelor de aur cu moleculele de proteine adsorbite pe ele. Metoda propusă are o sensibilitate fără precedent: poate fi utilizată pentru a determina, dacă nu molecule de proteine individuale, atunci cel puțin zeci.
Spectrometria optică face posibilă studierea proteinelor cu densitate optică în domeniul vizibil al radiațiilor electromagnetice (cromoproteine) prin măsurarea absorbției luminii la anumite ( "caracteristică" pentru molecule specifice) lungimi de undă. Cu toate acestea, astfel de măsurători necesită concentrații destul de mari de proteine, iar rezoluția spațială a acestei metode este foarte scăzută (de obicei, sunt studiate soluții de molecule în cuve spectrometrice și pur și simplu nu se pune problema unde exact sunt situate moleculele studiate în celulă) . Metodele bazate pe măsurare sunt mult mai sensibile. fluorescenţă(împreună cu microscopia confocală, fac posibilă determinarea locației moleculelor în interiorul unei celule vii), dar aici este necesară modificarea moleculelor studiate cu molecule marker speciale, ceea ce nu este întotdeauna de dorit și posibil. O altă metodă des folosită în biologie - spectroscopia de rezonanță magnetică nucleară - necesită, de asemenea, concentrații destul de mari de proteine și adesea - etichetarea izotopică a unui obiect care este dificilă în condițiile sistemelor vii.
Metoda propusă de oamenii de știință din Berkeley (articolul a fost publicat în jurnal Metodele naturii) se bazează pe introducerea particulelor de aur nanoscopice de dimensiune controlată (20–30 nm) în celulele vii. Electronii de pe suprafața particulelor formate din metale precum aurul sau argintul oscilează colectiv ca răspuns la expunerea la lumină de o anumită lungime de undă - un fenomen cunoscut sub numele de rezonanța plasmonică(vezi bara laterală). Frecvențele de rezonanță ale acestor nanoparticule sunt mult mai ușor de înregistrat decât un semnal optic slab (din cauza concentrațiilor foarte scăzute) de la moleculele biologice, ceea ce face posibilă efectuarea măsurătorilor.
Am stat în avion
Cu unghi variabil de reflexie,
Urmărind legea
Punerea în mișcare a peisajelor.
repetarea cuvintelor,
lipsit de orice sens,
Dar fără tensiune
Fara tensiune.
B.G.
Literatură
- Gang Logan Liu, Yi-Tao Long, Yeonho Choi, Taewook Kang, Luke P Lee. (2007). Nanospectroscopia cuantificată de stingere a plasmonilor prin transferul de energie prin rezonanță plasmonică. Metode Nat. 4 , 1015-1017;
- Noua tehnică de nanoparticule surprinde reacțiile chimice într-o singură celulă vie cu o claritate uimitoare. (2007). ScienceDaily.
Capitolul 1. Trecere în revistă a stadiului actual al cercetării pe tema tezei
1.1. Metode de calcul a spectrelor de absorbție și împrăștiere a luminii de către particule mici.
1.1.1. Rezolvarea exactă a problemei pentru o sferă omogenă și generalizarea acesteia la cazul unei particule sferice multistrat
1.1.2. Rezolvarea problemei pentru cilindri și sferoizi.
1.1.3. Metode numerice de calcul a proprietăților optice ale nanostructurilor
1.2. Cercetări experimentale în domeniul nanostructurilor hibride și nanomaterialelor
1.2.1. Sinteza și structura nanoparticulelor organometalice de formă sferică și alungită.
1.2.2. Investigarea spectrelor de absorbție, luminiscență și împrăștiere a luminii de către nanoparticule.
1.3. Nanosisteme organometalice hibride și nanoshell metalice.
1.3.1. Proprietățile nanoparticulelor metalice. Plasmonii de suprafață localizați
1.3.2. Nanoshell metalice cu miez dielectric
1.3.3. Agregatele R moleculare ale coloranților cu cianuri
1.3.4. Nanosisteme organometalice de diferite forme și dimensiuni.
capitolul 2
2.1. Remarci introductive.
2.2. Formule de bază pentru calcularea secțiunilor transversale de absorbție și împrăștiere a luminii de către particule cu două straturi.
2.2.1. Expresii inițiale pentru coeficienții de expansiune multipolară. Contribuțiile TM și TE mod.
2.2.2. Expresii cvasi-statice pentru secțiunea transversală și polarizabilitatea dipolului unei particule compozite.
2.2.3. Permisitățile dielectrice ale miezului, învelișului L-agregat, distanțierului organic și mediului
2.3. Principalele regularități în spectrele de fotoabsorbție ale nanoparticulelor hibride metal/L-agregat.
2.4. Compararea contribuțiilor absorbției și împrăștierii luminii la secțiunea transversală de extincție.
2.5. Analiza rolului efectelor dimensiunii.
2.6. Dependența frecvențelor modului hibrid și a intensităților vârfurilor de absorbție de constantele optice și parametrii geometrici ai unei nanoparticule.
2.6.1. Model analitic pentru calcularea frecvențelor modului hibrid
2.6.2. Dependențe ale frecvențelor modurilor hibride și intensitățile maximelor vârfurilor de fotoabsorbție de puterea oscilatorului de tranziție în banda A a colorantului.
2.6.3. Dependențe ale pozițiilor maximelor vârfurilor spectrale de raza miezului și de grosimea învelișului nanoparticulelor
2.7. Comparația teoriei cu experimentul pentru particule metalice (Ag, Au, Cu, Al) cu un înveliș de agregat A
2.8. Evaluarea rolului fenomenelor nelocale
2.9. concluzii
capitolul 3
3.1. Observații preliminare.
3.2. Formule inițiale pentru secțiunile transversale de absorbție și împrăștiere a luminii de către particulele cu trei componente.
3.2.1. Coeficienți de expansiune multipolară pentru contribuțiile modurilor TM și TE
3.2.2. Formule pentru aproximarea cvasistatică
3.3. Spectre de absorbție și structură de câmp pentru particule cu un miez metalic, un înveliș exterior J-agregat și un strat pasiv intermediar.
3.3.1. Analiza comportamentului spectrelor de fotoabsorbție cu modificarea parametrilor geometrici ai particulei.
3.3.2. Compararea rezultatelor teoriei cu experimentul
3.4. Spectre și structură de câmp în nanoshell metalice cu un miez dielectric acoperit cu un strat exterior de agregate J moleculare.
3.5. Nanoshell metalice cu un miez semiconductor și particule semiconductoare/metal/J-agregate.
3.5.1. Caracteristicile spectrelor de fotoabsorbție ale nanoparticulelor hibride cu un indice de refracție ridicat al nucleului
3.5.2. Mie rezonează în nanobile cu un miez de siliciu și o carcasă de metal
3.6. concluzii
Capitolul 4. Studierea influenței formei nanoparticulelor hibride asupra caracteristicilor spectrale ale acestora
4.1. Calculul și analiza spectrelor de extincție ale nanoparticulelor sferoidale în aproximarea cvasi-statică.
4.1.1. Comportarea spectrelor de fotoabsorbție ale nanoparticulelor de argint sferoidal cu o modificare a raportului dintre lungimile semiaxelor majore și minore.
4.1.2. Efectul interacțiunii plasmon-exciton în nanoparticulele metal/L-agregat asupra spectrelor de extincție ale nanoparticulelor sferoidale.
4.2. Calculul secțiunilor transversale de absorbție și împrăștiere a luminii prin nanoparticule hibride sferoidale, cilindrice și în formă de gantere folosind metoda FDTD.
4.2.1. Adaptarea metodei FDTD pentru calcularea proprietăților optice ale nanostructurilor compozite
4.2.2. Rezultatele calculării caracteristicilor spectrale ale nanoparticulelor sferoidale
4.2.3. Rezultatele calculării caracteristicilor spectrale ale nanoparticulelor de formă complexă.
4.3. Caracteristicile spectrale ale propagării câmpului electromagnetic de-a lungul unui lanț de nanoparticule.
4.3.1. Modelul unui lanț de nanoparticule.
4.3.2. Rezultatele calculului.
4.4. concluzii
Lista recomandată de dizertații
Proprietățile optice ale nanoparticulelor de aur și argint în legătură cu sarcinile de biodiagnostic 2007, candidat la științe fizice și matematice Trachuk, Lyubov Anatolyevna
Nanoparticule de rezonanță plasmonică pentru aplicații biomedicale 2010, doctor în științe fizice și matematice Khlebtsov, Boris Nikolaevich
Rearanjarea fotoindusă a moleculelor și agregatelor moleculare în câmpul apropiat al nanostructurilor metalice 2013, Candidat la Științe Fizice și Matematice Toropov, Nikita Aleksandrovich
Interacțiunea radiațiilor laser cu energie scăzută cu medii eterogene bazate pe soluții de coloranți organici și nanostructuri metalice 2012, candidat la științe fizice și matematice Panamarev, Nikolai Semyonovich
Studiul proprietăților optice ale punctelor cuantice semiconductoare în câmpul apropiat al nanoparticulelor plasmonice 2016, candidat la științe fizice și matematice Bakanov, Alexey Georgievich
Introducere în teză (parte a rezumatului) pe tema „Studiul teoretic al spectrelor de absorbție și împrăștiere a luminii prin nanoparticule organometalice hibride”
Relevanța și noutatea problemelor rezolvate în teză este determinată aici de faptul că, până de curând, efectele interacțiunii excitonilor Frosnkel cu plasmonii de suprafață au fost studiate în principal în nanostructuri organometalice hibride cu geometrie plană (de exemplu, în metal subțire). filme acoperite cu agregate moleculare J. În acest caz, cuplarea electromagnetică a excitonilor Frenkel se realizează cu plasmoni care se propagă de-a lungul unei interfețe plate metal/dielectric sau metal/semiconductor.Totuși, într-o serie de articole, agregarea J a A fost demonstrată colorantul cu ciană pe suprafața sferică a nanoparticulelor de metal nobil într-o soluție apoasă, ceea ce a deschis o oportunitate fundamental nouă de a studia Efectele cuplării coerente a excitoanelor moleculare cu plasmonii localizați. O sarcină urgentă este și dezvoltarea metodelor de simulare pe computer a acestui tip de nanoparticule hibride și nanomateriale compozite, precum și crearea de algoritmi numerici. algoritmi si programe specifice de calculare a diferitilor parametri fizici ai acestora.Acesta se refera in primul rand la adaptarea metodelor numerice deja dezvoltate de rezolvare a problemelor de electrodinamica (folosite pe scara larga in radiofizica) la problemele puse in disertatie in domeniul nanoopticii si nanofotonicei. . Vorbim aici, în primul rând, despre metoda diferențelor finite în domeniul timpului (Finite Difference Time Domain Method - FDTD).
Rezumând cele de mai sus, putem concluziona că tema disertației corespunde problemelor și provocărilor științifice și tehnice actuale cu care se confruntă nanofotonica modernă și industria nanosistemelor, nanomaterialelor și nanodispozitivelor.
Obiectiv
Scopul acestei lucrări este de a efectua calcule numerice și de a analiza spectrele de absorbție și împrăștiere ale nanoparticulelor organometalice de diferite compoziții, forme și dimensiuni și de a studia, pe această bază, efectele interacțiunii excitonilor Frenkel cu dipol și multipol localizați. plasmonii. Ca obiecte specifice de cercetare, disertația va studia, printre altele, nanoparticulele bicomponente constând dintr-un miez metalic acoperit cu un strat de agregate moleculare L de coloranți cu cianuri, nanoparticulele cu trei componente formate dintr-un miez metalic, un dielectric pasiv. garnitură și un strat exterior de L-agregat, nanoshell metalice cu miez dielectric sau semiconductor și strat exterior de L-agregate moleculare, precum și nanosisteme metalo-organice multistrat pe aceste procese, precum și dezvoltarea unor metode eficiente de control al caracteristicilor spectrale și efectele interacțiunii plasmon-exciton într-un astfel de hibrid organometalic nanostructuri
Sarcini de rezolvat
În conformitate cu obiectivele stabilite, sarcinile specifice de rezolvat în teză pot fi formulate pe scurt după cum urmează
1 Dezvoltarea algoritmilor numerici pentru calcularea structurii spațiale a câmpurilor electromagnetice, tensorii de polarizabilitate și caracteristicile spectrale ale nanoparticulelor bicomponente, tricomponente și multistrat de formă sferică, sferoidă și complexă
2 Calcule numerice ale structurii câmpurilor și secțiunilor transversale de absorbție și împrăștiere a luminii de către nanoparticulele hibride metal-organice studiate și nanoshell-urile metalice cu un miez dielectric sau semiconductor acoperit cu un strat exterior de agregate moleculare L de coloranți cu cianină
3 Elaborarea unui model analitic pentru calcularea frecvențelor naturale ale modurilor hibride ale unui nanosistem compozit și compararea rezultatelor acestuia cu calculele numerice ale pozițiilor vârfurilor spectrale de fotoabsorbție și difuzare a luminii Calcularea și analiza distribuției spectrale a intensităților de absorbție și împrăștiere a luminii
4 Elucidarea principalelor regularități în efectele interacțiunii excitonilor Frenkel cu plasmonii de suprafață localizați dipol și multipol în regimuri de cuplare slabă și puternică Analiza caracterului cuplării plasmon-exciton în funcție de valoarea forței oscilatorului de tranziție în Banda J a colorantului, forma și parametrii geometrici ai sistemului.
5. Investigarea rolului fenomenelor dimensionale și elucidarea influenței acestora asupra proprietăților optice ale nanostructurilor hibride studiate. Evaluarea influenței efectelor nelocale în funcția dielectrică a miezului metalic al unei nanoparticule asupra spectrului de absorbție a luminii
6. Compararea rezultatelor calculelor cu datele experimentale disponibile și explicarea rezultatelor experimentelor privind spectrele de extincție ale nanoparticulelor hibride metal-organice
7. Dezvoltarea unor metode eficiente de control al proprietăților optice, naturii și mărimii constantei de interacțiune plasmon-exciton în nanostructurile hibride studiate.
Noutatea științifică a lucrării
În general, noutatea științifică a lucrării constă în rezolvarea unui număr de noi probleme în optica nanostructurilor organometalice compozite și în obținerea de rezultate originale asupra caracteristicilor spectrale ale acestora, precum și în studierea naturii cuplării plasmon-exciton în interacțiune. de câmpuri luminoase cu nanoparticule hibride de diferite compoziții, forme și dimensiuni.
În special, într-o gamă largă de lungimi de undă și parametri geometrici ai sistemului, s-au obținut noi date teoretice privind caracteristicile spectrale ale nanoparticulelor organometalice hibride bicomponente și tricomponente de diferite forme și dimensiuni, precum și nanocochilii acoperite cu J- agregate de coloranți cu miezuri dielectrice (semiconductori). În acest caz, Ag, Au, Cu și Al au fost utilizate ca componentă metalică a nanoparticulei în calcule și un set de diferiți coloranți cu cianuri (TC, OS, PIC, NK2567; formulele structurale corespunzătoare sunt prezentate mai jos în capitolul). 2), au fost utilizate ca componentă organică agregatele moleculare J, care au vârfuri de absorbție în diferite domenii spectrale ale spectrului vizibil și valori semnificativ diferite ale forței oscilatorului de tranziție în banda de absorbție J.
Acest lucru a făcut posibilă pentru prima dată obținerea unei imagini fizice auto-consistente a proceselor de absorbție și împrăștiere a luminii de către nanoparticule hibride de acest fel și de a stabili influența asupra proprietăților lor optice a efectelor interacțiunii excitonilor Frenkel atât cu plasmonii dipol electric și cu plasmonii localizați de un ordin superior al multipolarității Au fost găsite noi regularități calitative în legăturile plasmon-exciton și în cazul în care frecvența rezonanței plasmonului a unui nanoshell metalic cu miez dielectric sau semiconductor coincide cu frecvența centrală. de absorbție a luminii în învelișul exterior al agregatului L. Aceasta duce la o schimbare radicală a naturii spectrului de absorbție al întregului nanosistem hibrid.
Rezultatul original al lucrării este dezvoltarea unui model analitic simplu pentru calcularea modurilor hibride ale nanoparticulelor sferice cu două componente cu un miez metalic acoperit cu un strat exterior de agregate moleculare A de coloranți, precum și o analiză detaliată a distribuția intensităților și pozițiilor maximelor vârfurilor spectrale ale nanosistemelor studiate, pe baza calculelor numerice precise pentru particule sferice și sferoidale
Calculele efectuate în disertație au permis pentru prima dată stabilirea influenței diferitelor fenomene dimensionale asupra lățimilor vârfurilor și distribuției intensității în spectrele de absorbție a luminii ale nanoparticulelor hibride metal-organice.Totodată, rolul ambelor dimensionale. efectele cauzate de dependențele de polarizabilitate a unei nanoparticule hibride de raza miezului său și grosimile straturilor exterioare au fost clarificate separat, iar efectele asociate cu o creștere a constantei ratei de dezintegrare a electronilor liberi în miezul unui metal. nanoparticule organice ca urmare a împrăștierii lor la interfața sferică a mstall/agregatului L în cazul în care raza particulei devine semnificativ mai mică decât calea liberă medie a unui electron într-o probă de metal în vrac
Noi rezultate ale lucrării au fost, de asemenea, obținute în studierea influenței formei unei nanoparticule asupra naturii spectrelor de absorbție și împrăștiere a luminii și asupra efectelor asociate ale cuplării plasmon-exciton în nanostructurile hibride oțel-organice și nanoshell-uri metalice cu un stratul exterior de L-agregate moleculare.
Pentru a calcula caracteristicile spectrale ale nanostructurilor hibride și pentru a studia efectele enumerate mai sus, disertația a dezvoltat algoritmi numerici speciali pentru calcularea structurii spațiale a câmpurilor, a polarităților și, de asemenea, a secțiunilor transversale de absorbție și împrăștiere a luminii. Ele se bazează pe teoria Mie generalizată la cazul nanoparticulelor sferice multistrat și modificată pentru a lua în considerare efectele mărimii în funcția dielectrică, pe utilizarea unui număr de soluții destul de greoaie pentru un sferoid cu două straturi și pe adaptarea metoda diferențelor finite în domeniul timpului (FDT) pentru a rezolva setul în sarcini de lucru.
Valoare științifică și practică
Valoarea științifică și practică a lucrării este determinată în mare măsură de relevanța temei și de noutatea problemelor care se rezolvă.În general, semnificația lucrării pentru nanofotonică este asociată cu obținerea de noi rezultate în domeniul studierii proprietăților optice. de nanostructuri hibride sintetizate pe baza de metale și agregate moleculare A ale coloranților, în scopul utilizării lor potențiale pentru crearea de noi nanomateriale compozite și pentru dezvoltarea de dispozitive fotonice, optoelectronice și emițătoare de lumină eficiente.
Rezultatele obținute extind semnificativ înțelegerea naturii și mecanismelor interacțiunii luminii cu nanostructurile organometalice compozite. Acestea au făcut posibilă explicarea adecvată a unui număr de fenomene observate experimental în spectrele de absorbție și împrăștiere ale luminii datorită interacțiunii plasmon-exciton în nanostructuri cu două și trei straturi de diferite compoziții, forme și dimensiuni, create pe baza de metale, agregate moleculare L ordonate și, de asemenea, un număr de dielectrici organici pasivi și materiale semiconductoare cu un indice de refracție ridicat. O parte semnificativă a rezultatelor teoretice obținute este direct orientată către realizarea de noi experimente pentru studiul proprietăților optice ale nanostructurilor hibride metal-organice.
Pentru zona intens dezvoltată - nanoplasmonică, de cel mai mare interes sunt noile rezultate obținute în teza de doctorat privind efectele cuplării electromagnetice a excitonilor Frenkel în nanoparticule organometalice hibride de forme sferice, sferoidale și mai complexe cu plasmonii de suprafață de diferite tipuri localizați în particule. miez (sau în nanoshell metalic intermediar).ordine multipolară în regimuri de cuplare slabă și puternică. Aceste rezultate completează semnificativ studiile ample efectuate anterior în literatura de specialitate cu privire la efectele interacțiunii excitonilor Frenkel sau Wannier-Mott cu plasmonii de suprafață călătorie în nanosisteme compozite cu geometrie plană (de exemplu, în filme metalice acoperite cu agregate L de coloranți). ), sau efectele observate în literatura de specialitate în timpul interacțiunii excitonilor.în puncte cuantice semiconductoare cu nanoparticule de metal sau nanofire izolate din acestea. În acest sens, sunt importante și rezultatele obținute în teza de doctorat privind elucidarea rolului fenomenelor dimensionale în procesele care implică nanoparticule hibride metalo-organice.
Pentru a crea nanostructuri hibride și nanomateriale cu proprietăți optice dorite, metodele propuse în această lucrare pentru controlul caracteristicilor spectrale ale nanoparticulelor organometalice și ale nanoshell-urilor metalice acoperite cu L-agregate de coloranți sunt practic semnificative. Practic, importante pentru rezolvarea unui număr de probleme similare din optica nanostructurilor compozite sunt metodele și algoritmii numerici dezvoltați pentru calcularea câmpurilor și a caracteristicilor spectrale ale nanoparticulelor de diferite dimensiuni și forme.
Dispoziții de bază pentru apărare
1. Variația parametrilor geometrici ai nanoparticulelor metalo-organice cu 2 și 3 straturi duce la o redistribuire radicală a intensităților vârfurilor spectrale de absorbție și împrăștiere a luminii, la o schimbare puternică a pozițiilor maximelor lor și la o modificarea numărului total de vârfuri. Acest lucru face posibilă controlul caracteristicilor spectrale ale unor astfel de nanoparticule și indică modalități de a crea nanostructuri hibride pe baza acestora cu proprietăți optice dorite.
2. Influența efectelor mărimii asupra naturii spectrelor de absorbție și împrăștiere ale nanoparticulelor organometalice se reduce la trei factori principali: 1) dependența polarizabilităților dipolului de volumul total al particulei, precum și de raportul ce dintre razele interioare și exterioare; 2) o creștere a rolului efectelor interacțiunii plasmonilor multipol cu excitonii Frenkel cu creșterea dimensiunii particulelor; 3) influența dimensiunii miezului particulei sau a grosimii nanoshell metalic asupra funcției sale dielectrice datorită creșterii coeficientului de atenuare a electronilor liberi atunci când aceștia sunt împrăștiați la limita dintre miez și înveliș, când particulele dimensiunea devine mai mică decât calea liberă medie a unui electron dintr-o probă de metal în vrac
3. Schimbarea formei unei nanoparticule hibride de la sferică la sferoidă sau sub formă de gantere duce la apariția de noi modele în spectrele de absorbție și împrăștiere ale luminii. Caracteristicile rezultate în comportamentul spectrelor sunt asociate, în special, cu divizarea vârfurilor de rezonanță plasmonilor localizate în miezul metalic al unei particule (sau într-un nanoshell metalic) în cele longitudinale și transversale și cu interacțiunea lor cu excitonii Frenkel în stratul exterior A-agregat. Distribuția intensității la maxime și direcția deplasării noilor vârfuri depind puternic de polarizarea luminii incidente
4 Natura spectrelor de absorbție și împrăștiere a luminii de către nanoparticulele metal-organice și apariția unuia sau altuia mod de cuplare plasmon-exciton depinde în mod semnificativ de puterea oscilatorului de tranziție în benzile L ale colorantului și de distanța AL dintre centrul benzii de absorbție a agregatului L molecular și maximul vârfului de rezonanță plasmonului din miezul metalic (sau stratul metalic intermediar) al particulei Regimul de cuplare puternică plasmon-exciton se realizează atunci când corespunzătoare lungimile de undă ale vârfurilor indicate sunt apropiate. Aceasta conduce la apariția unui minim spectral (în vecinătatea maximului benzii de absorbție L a colorantului) și a două vârfuri de fotoabsorbție aproape egale ca intensitate ale particulei hibride.
5. Abordarea dezvoltată și calculele numerice efectuate fac posibilă explicarea adecvată a datelor experimentale disponibile privind spectrele de fotoabsorbție ale nanoparticulelor hibride care conțin o componentă metalică și agregate D moleculare ordonate ale coloranților și creează o bază teoretică pentru stabilirea noi experimente menite să studieze efectele interacțiunii plasmonilor localizați cu excitonii Frenkel în nanostructurile organometalice de diferite forme, dimensiuni și compoziții.
Fiabilitatea rezultatelor muncii
Calculele efectuate în teză și analiza rezultatelor se bazează pe metode și abordări analitice și numerice auto-consistente în teoria absorbției și împrăștierii luminii. Calculele au folosit date moderne și fiabile privind constantele optice ale materialelor care alcătuiesc nanoparticulele hibride. Fiabilitatea rezultatelor lucrării este confirmată prin compararea rezultatelor calculelor teoretice cu datele experimentale disponibile și, în unele cazuri, cu rezultatele calculelor altor autori. Caracteristicile spectrale ale unui număr de nanoparticule hibride studiate au fost calculate în disertație prin diferite metode, care au demonstrat rezultate identice.
Aprobarea lucrării
Realizat 12 rapoarte la conferințe, simpozioane și seminarii rusești și internaționale, inclusiv Conferința internațională „Raman scattering - 80 years of research” (KR-80, Moscova, 2008); la a XX-a Conferință privind spectroscopia atomică fundamentală (FAS-XX, Voronezh, 2013); la Simpozionul III privind radiația coerentă a compușilor și structurilor semiconductoare (Moscova-Zvenigorod, 2011); la cea de-a 53-a conferință științifică MIPT " Probleme contemporaneștiințe fundamentale și aplicate” (Moscova-Dolgoprudny-Zhukovsky, 2010); la cea de-a 55-a conferință științifică MIPT „Probleme moderne ale științelor fundamentale și aplicate, naturale și tehnice în societatea informațională modernă”11 (Moscova-Dolgoprudny-Zhukovsky, 2012); la cel de-al III-lea Seminar-Școală de Tineret din Rusia cu participare internațională „Aspecte inovatoare ale cercetării fundamentale privind problemele actuale ale fizicii11 (FIAN, Moscova - Technopark FIAN, Troitsk, Regiunea Moscova, 2009); la XIII Școala de Tineri Oameni de Știință 11Probleme actuale ale Fizica" si Scoala a IV-a -seminar "Aspecte inovatoare cercetare fundamentală„(Moscova-Zvenigorod,
2010); la Școala XIV de Tineri Oameni de Știință „Probleme actuale de fizică” (Zvenigorod, 2012).
Rezultatele lucrării au fost raportate și la Departamentul de Radiofizică Cuantică al Institutului de Fizică și Tehnologie din Moscova, precum și la seminariile științifice din Departamentul de Optică. G.S. Landsberg și în Departamentul de Luminescență. SI. Vavilov FIAN.
Disertația este rezultatul muncii științifice independente a autorului, desfășurată sub îndrumarea conducătorului său. Contribuția personală a autorului tezei constă, în special, în efectuarea independentă a tuturor calculelor numerice, în participarea activă la discuția privind formularea unor probleme specifice de rezolvat, în analiza comună cu coautorii a tuturor rezultatelor. a lucrării și în scrierea comună a articolelor. În general, contribuția autorului este decisivă în rezultatele prezentate în disertație.
Structura și scopul disertației
Teza constă dintr-o introducere, patru capitole din textul principal și o concluzie. Volumul total al disertației este de 141 de pagini, inclusiv 60 de figuri și 2 tabele. Lista de referințe conține 118 titluri.
Teze similare la specialitatea „Optică”, 01.04.05 cod VAK
Interacțiunea impulsurilor laser nano și femtosecunde cu medii micro și nanodispersate 2013, doctor în științe fizice și matematice Zemlyanov, Alexey Anatolyevich
Formarea nanostructurilor plasmon-rezonante și modificarea lor în sisteme disperse sub acțiunea radiației optice 2013, candidat la științe fizice și matematice Grachev, Alexey Sergeevich
Structuri coloidale cu morfologie diferită: sinteză, proprietăți optice și fenomene optodinamice 2014, candidat la științe fizice și matematice Ershov, Alexander Evgenievich
Interrelația dintre caracteristicile structurale și optice ale nanocoloizilor plasmon-rezonanți cu auto-asamblare 2011, candidat la științe fizice și matematice Gerasimov, Valery Sergeevich
Proprietățile de dispersie ale nanostructurilor periodice multistrat și ale lanțurilor de nanoparticule de siliciu 2014, candidat la științe fizice și matematice Roman Sergeevich Savelyev
Lista de referințe pentru cercetarea disertației Candidat la științe fizice și matematice Medvedev, Anton Sergeevich, 2013
1. Câmpuri apropiate optice: 1.introducere în teoriile clasice și cuantice ale fenomenelor electromagnetice la scară nanometrică / Ed. de Ohtsu M. și Kobayashi K.; Berlin: Springer-Verlag, 2004.
2. Novotny JI., Hecht B. Fundamentele nanoopticii. Moscova: Fizmatlit, 2011.
3. Klimov V.V. Nanoplasmonice. Moscova: Fizmatlit, 2010.
4. Progresul în Nano-Electro-Optics V: Fabricații nanofotomice, dispozitive, sisteme și bazele lor teoretice / Ed. de Ohtsu M.; Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Verlag, 2011.
5. Bochkarev M.N., Vitukhnovsky A.G., Katkova M.A. Diode organice emițătoare de lumină (OLED). Nijni Novgorod: DECOM, 2011.
6. Funcționarea stabilă în aer a LED-urilor transparente, coloidale, bazate pe puncte cuantice, cu o arhitectură de dispozitiv unipolară / V. Wood, M.J. Panzer, J.-M. Carugc şi colab. // Nano Lett. 2010. - Vol. 10. - Nu. 1. - P. 24-29.
7. Apariția tehnologiilor de emisie de lumină cuantică coloidală / Y. Shirasaki, G.J. Supran, M.G. Bawcndi, V. Bulovic // Fotonica naturii. 2013. - Vol. 7. - Nu. 1. - P. 13-23.
8. Electroluminiscența punctelor cuantice CdSe/CdS și transferul energiei de excitație a excitonilor într-o diodă emițătoare de lumină organică / A.A. Vagtsenko, B.C. Lebedev, A.G. Vitukhnovsky și colab. // Scrisori JETP. 2012. - T. 96yu - Nr. 2. - S. 118-122.
9. Extracție îmbunătățită a curentului din fotovoltaici cu heterojoncție cuantică cu punct ZnO/PbS folosind un strat interfacial M0O3 /PR Brown, R R Lunt, N Zhao și colab. // Nano Lett -2011 Vol 11 - No 7 - P 2955-2961
10. Celule solare procesate cu soluție la temperatură joasă bazate pe PbS Coloidal Quantum Dot/CdS Hctcrojunctions / L-Y Chang, RR Lunt, PR Brown et al // Nano Lett 2013 - Vol 13 - No 3 - P 994-999
11. Proiectare, fabricare și operare nanofotomică a dispozitivelor nanometrice folosind câmpuri optice apropiate / M Ohtsu, T Kawazoe, S Sangu, T Yatsui // IEEE J Select Top Quantum Electron 2002 - Vol 8 - No 4 - P 839-862
12. Comutator nanofotomic utilizând structuri dublu-cuantice de godeuri cu nanorod ZnO / T Yatsui, S Sangu, T Kawazoe ct al // Appl Phys Lett 2007 - Vol 90 - No 22 -P 223110
13. An Integrated Electrochromic Nanoplasmomc Optical Switch / A Agrawal, C Susut, G Stafford et al // Nano Lett 2011 - Vol 11 - No 7 - P 2774-2778
14. Das B C, Pal A J Îmbunătățirea bistabihității electrice prin nanoparticule semiconductoare pentru aplicații de memorie organică // Phil Trans R Soc A 2009 - Vol 367 - No 1905 -P 4181-4190
15. Roldugin V I Sisteme coloidale metalice cuantice-dimensionale // Advances in Chemistry 2000 - T 69 - Nr. 10 - C 899-923
16. Daniel M -C, Astruc D Gold Nanoarticles Assembly, Supramolecular Chemistry, Quantum-Size-Relatcd Properties, and Applications to Biology, Catalysis, and Nanotechnology // Chem Rev 2004 - Vol 104 - No 1 - P 293-346
17. Chimie și proprietăți ale nanocristalelor de diferite forme / C Burda, X Chen, R Narayanan, M A El-Sayed // Chem Rev 2005 - Vol 105 - No 4 - P 1025-1102
18. Puncte cuantice semiconductoare și nanoparticule de metal: sinteze, proprietăți optice și aplicații biologice / V. Biju, T. Itoh, A. Anas ct al. // Anal. bioanal. Chcm. 2008. - Vol. 391.-Nr. 7. - P. 2469-2495.
19. Hlsbtsov N.G. Optica și biofotonica nanoparticulelor cu rezonanță plasmonică // Electronica cuantică. 2008. - T. 38. - Nr. 6. - S. 504-529.
20. Lumina care trece prin deschiderile sublungimii de undă / F.J. Garcia-Vidal, L. Martin-Moreno, T.W. Ebbesen, L. Kuiperes // Rev. Mod. Fiz. 2010.- Vol. 82. Nu. 1. - P. 729-787.
21. Vasiliev R.B., Dirin D.N., Gaskov A.M. Nanocristale semiconductoare coloidale cu separare spațială a purtătorilor de sarcină: creștere și proprietăți optice // Chimie rusă. 2011. - T. 80. - Nr. 12. -S. 1190-1210.
22. Nanofotomcs și Nanofabrication / Ed. de M. Ohtsu; Wcnheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KgaA, 2009.
23. Cai W., Shalacv V. Optical Metamatcrials: Fundamentals and Applications.- New York: Springer, 2010.25. bazing m nanocavități acoperite metalic / M.T. Hill ct al. // Nature Photon.- 2007. Vol. 1. - Nu. 10. - P. 589-594.
24. Acțiune laser m nanofire: Observarea trecerii de la emisia spontană amplificată la oscilația laser / M.A. Zimmler, J. Bao, F. Capasso ct al. //Appl. Fiz. Lett. 2008. - Vol. 93. - Nu. 5. - str. 051101.
25. Observarea Emisiei Stimulate de Polariton Plasmon de suprafață / M. Ambati, S.H. Nam, E. Ulin-Avila et al. // Nano Lett. 2008. - Vol. 8. - Nu. 11 - p. 3998-4001.
26. Demonstrarea unui nanolaser spaser-bascd / M.A. Noginov, G. Zhu, A.M. Bclgravc şi colab. // Natură. 2009. - Vol. 460-Nr. 27. - Str. 11101113.
27. Protsenko I.I. Teoria nanolaserului dipol // UFN. 2012. - T. 182.- Nr. 10. S. 1116-1122.
28. Mie G. Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Mctallösungcn, Ann. d. Fizica IV. 1908. - Vol. 25. - Nu. 3. - P. 377-445.
29. Boren K., Huffman D. Absorption and scattering of light by small particules.- M.: Mir, 1986.
30. Aden A.L., Kerker M. Scattering of Electromagnetic Waves from Two Concentric Spheres // J. Appl Phys. 1951. - Vol. 22. - Nu. 10. - P. 1242-1246.
31. Teoria lui Giittler A. Mie a difracției prin sfere dielectrice cu nuclee absorbante și semnificația ei pentru problemele materiei interstelare și ale aerosolului atmosferic // Ann. Phys. (Leipzig). 1952. - Vol. 11. - P 65-98.
32. Bhandari R. Coeficienți de împrăștiere pentru o sferă multilaycrcd: expresii analitice și algoritmi, Appl. Opta. 1985. - Vol. 24. - Nu. 13.-p. 1960-1967.
33. Sinzig J., Quinten M. Scattering and absorbtion by spherical multilayer particles // Appl. Fiz. A. 1994. - Vol. 58. - Nu. 2. - P. 157-162.
34. Voshchmmkov N.V., Farafonov V.G. Proprietăți optice ale particulelor sferoidale // Astrophys. și Sp. Sei. 1993. - Vol. 204.-Nr. 1. - P. 19-86.
35. Wang D.S., Kerker M. Absorbția și luminiscența particulelor de argint și aur acoperite cu dyc, Phys. Rev. B. 1982. - Vol. 25. - Nu. 4. - P. 2433-2449.
36. Purcell E.M., Pennypacker C.R. Imprăștirea și absorbția luminii de către boabe dielectrice nesferice // Astrophys. J. 1973. - Vol. 186. - P. 705-714.
37. Draine B.T., Goodmann J. Beyond Clausius-Mossotti: Wave propagation on a polarizable point lattice and the discrete dipol approximation // Astrophys. J. 1993. - Vol. 405.-Nr. 2. - P. 685-697.
38. Draine B.T., Flatau P.J. Aproximare discret-dipol pentru calcule de împrăștiere // J. Opt. soc. A.m. A.Vol. 11. - Nu. 4. - P. 1491-1499.
39. Hafner Ch. Tehnica multipolară generalizată pentru electromagnetică computațională. Boston: Artech House, 1990.
40. Hafner Ch. Electromagnetică postmodernă. Folosind soluții inteligente MaXwell. Chichester: Wiley, 1999.
41. Tehnici multipolare generalizate de dispersie electromagnetică și luminoasă / Ed. de T. Wriedt; Amsterdam: Elsevier, 1999.
42. Proiectarea unei sonde de câmp apropiat pentru înregistrarea optică utilizând o metodă în domeniul timpului cu diferențe finite tridimensionale / K. Hirota, T.D. Milster, Y. Zhang, J.K. Erwin // Japonia. J. Apl. Fiz. 2000. - Vol. 39. - Nu. 2. - P. 973-975.
43. Simularea optică în câmp apropiat a discurilor cu structură în câmp apropiat de super-rezoluție / T. Nakano, Y. Yamakawa, J. Tominaga, N. Atoda // Japonia. J. Apl. Fiz. 2001. - Vol. 40. - Nu. 3. - P. 1531-1535.
44. Simulare numerică privind caracteristicile de citire ale capului montat pe deschidere plană cu o dispersie de minute / K. Tanaka, T. Ohkubo, M. Oumi și colab. //Japonia. J. Apl. Fiz. 2001. - Vol. 40. - Nu. 3. - P. 1542-1547.
45. Da K.S. Rezolvarea numerică a problemelor de valoare la limită inițială care implică ecuațiile lui Maxwell în medii izotrope // IEEE Transactions on Antenna and Propagation.1966. - Vol. 14. - Nr. 3. - P. 302-307.
46. Taflove A., Hagnes S.C. Electrodinamică computațională. Metoda domeniului temporal al diferențelor Finitc, al treilea cd. Boston: Artcch House, 2005.
47 Berenger J.P. Un PML eficient pentru absorbția undelor cvanesccnt m ghiduri de undă // IEEE Microwave and Guided Wave Letters. 1998. - Vol. 8.-Nu. 5. P. 188-190
48 URL. http //ab-initio.mit.edu/wiki/indexphp/Meep
49. Spectrele de preparare și absorbție optică ale nanoparticulelor coloidale Au, Ag și Au/Ag acoperite cu colorant m Soluții apoase și m Ansambluri alternative / N Komctani, M. Tsubonishi, T. Fujita ct al. // Langmuir.- 2001. Vol. 17. - Nu. 3. - P. 578-580
50. Yoshida A., Yonezawa Y., Kometam N. Tuning of the Spectroscopic Properties of Composite Nanoparticules by the Insertion of a Spacer Layer Effect of Exciton-Plasmon Coupling // Langmuir 2009. - Voi. 25. - Nu. 12. - P. 6683-6689.
51. Hiramatsu H., Osterloh F.E. O sinteză simplă la scară largă a nanoparticulelor de aur și argint aproape monodispcrse cu dimensiuni ajustabile și cu agenți de suprafață schimbabili // Chcm Mater. 2004 - Vol. 16. - Nr. 13. - P. 2509-2511.
52. Nanoparticule metalice anizotrope „Synthesis, Assembly, and Optical Applications / C J. Murphy, T.K. Sau, AM Golc et al. // J. Phys. Chem. În 2005. - Vol. 109. - Nr. 29 .- P 13857-13870.
53. Cristalografie, difracție de raze X și microscopie electronică / Ya.S Umansky, Yu.A. Skakov, A.N. Ivanov, JI N. Rastorguev, M.: Metalurgie, 1982.
54 Microscopie și spectroscopie cu sondă de scanare Wiesendanger R. - Cambridge. Cambridge University Press, 1994
55. Novotny L., Hecht B. Principiile nanoopticei. Cambridge University Press, 2006
56. Proprietăți optice ale nanoparticulelor de metal nobil compozit acoperite cu un strat monomolecular de colorant organic J-agregat / V.C. Lebedev, A.S. Medvedev, A.G. Vitukhnovsky și colab. // Electronică cuantică. 2010. - T. 40. - Nr. 3. - C 246-253.
57. Als-Nielscn J., McMorrow D Elements of modern X-ray Physics. a 2-a ed. -Chichester: Wiley, 2011
58. Surface Science- An Introduction / K Oura, V.G. Lifshits, A A. Saranm et al.; Berlin Springer, 2003.
59. Krcibig U., Vollmer M. Proprietăți optice ale clusterelor de metal. Berlin Springer, 1995
60. Kerker M. The Scattering of Light and Other Electromagnetic Radiation. -New York Academic Press, 1969
61. Crcighton J.A., Eadon D G Spectrele de absorbție vizibile în ultraviolete ale elementelor metalice coloidale //J. Chim. Soc, Faraday Trans 1991 - Vol. 87. - Nu. 24. - P. 2881-3891.
62. Ashcroft N.W., Mermin N.D. Fizica stării solide. Philadelphia Saunders College, 1976 metal/L-agregate // Quantum Electronics. 2012. - T. 42. - Nr. 8. - S. 701-713.
63. Plasmonice moleculare cu puterea de cuplare exciton-plasmon reglabilă în ansambluri au nanorod hibridizate cu agregat J / G.A. Wurtz, P.R. Evans, W. Henren şi colab. // Nano Lett. 2007. - Vol. 7. - Nu. 5. - P. 1297-1303.
64. Yoshida A., Uchida N., Kometani N. Sinteză și studii spectroscopice ale nanorodurilor de aur compozite cu o structură cu dublă înveliș compusă din straturi J-Aggregate de colorant cu distanțiere și cianină // Langmuir. 2009. - Vol. 25. - Nu. 19 - P. 11802-11807.
65. Interacțiunea plasmonilor nanoparticulelor de aur cu agregate de coloranți polimetinici: nanoparticule „invizibile” / B.I. Shapiro, E.S. Koltsova, A.G. Vitukhnovsky și alții // Ros. Nanotehnologii. 2011. - V. 6. - Nr. 7-8. - S. 83-87.
66. Nanoparticule plexcitonice: cuplarea plasmon-exciton în complexe Nanoshell-J-Aggregate / N.T. Fofang, T.-H. Park, O. Neumann et al. // Nano Lett. 2008. - Vol. 8. - Nu. 10. - P. 3481-3487.
67. Manjavacas A., Garcia de Abajo F.J., Nordlander P. Quantum Plexcitonics: Strongly Interacting Plasmons and Excitons // Nano Lett. 2011. - Vol. 11. - Nu. 6. - P. 2318-2323.
68. Walker B.J., Bulovic V., Bawendi M.G. Filme amestecate Quantum Dot/J-Aggregate pentru recoltarea luminii și transferul de energie // Nano Lett. 2010. - Vol. 10. - Nu. 10. - P. 3995-3999.
69. Îmbunătățirea de douăzeci de ori a fluorescenței moleculare prin cuplarea la un rezonator cuplat critic cu agregat J / G.M. Akselrod, B.J. Walker, W.A. Tisdale // ACS Nano. 2012. - Vol. 6. - Nu. 1. - P. 467-471.
70. Atwater H.A., Polman A. Plasmonics for improved photovoltaic devices, Nat. mater. 2010. - Vol. 9. - Nu. 3. - P. 205-213.
71. Spectroscopie îmbunătățită cu plasmon a N,N"-Dialkylquinacridones utilizate ca codopanți în OLED-uri / E. del Puerto, C. Domingo, S. Sanchez-Cortes și colab. // J. Phys. Chem. C. 2011. - Voi. 115. - Nr. 34. - P. 16838-16843.
72. Emisia de lumină roșie îmbunătățită prin cuplarea plasmonului local a nanorodurilor Au într-o diodă emițătoare de lumină organică / T. Tanaka, Y. Totoki, A. Fujiki și colab. // Fizica aplicată Express. 2011. - Vol. 4. - Nu. 3. - str. 032105.
73. Nanoingineria rezonanțelor optice / S.J. Oldenburg, R.D. Averitt, S.L. Westcott, N.J. Halas // Chim. Fiz. Lett. 1998. - Vol. 288.-Nr. 2-4. - P. 243-247.
74. A Hybridization Model for the Plasmon Response of Complex Nanostructures / E. Prodan, C. Radloff, N.J. Halas, P. Nordlander // Știință. 2003. - Vol. 302.-Nr. 5644.-P. 419-422.
75. Hibridarea plasmonilor în nanostructuri complexe / J.M. Steele, N.K. Grady, P. Nordlander, N.J. Halas // Nanofotonica cu plasmon de suprafață. Vol. 131.- P. 183196.
76. Proprietăți optice ale coloizilor sferici și oblati de coajă de aur sferoidal / J.J. Penninkhof, A. Moroz, A. van Blaaderen, A. Polman //J. Fiz. Chim. C. 2008. - Vol. 112. - Nu. 11. - P. 4146-4150.
77. Rezonanța localizată a nanosferelor, nanobarelor și lanțurilor nanosferice compozite miez-înveliș / Y.-F. Chau, Z.-H. Jiang, H.-Y. Li şi colab. // Progresul în cercetarea electromagnetică B. 2011. - Vol. 28. - P. 183-199.
78. Cole J.R., Halas N.J. Distribuții optimizate de nanoparticule plasmonice pentru recoltarea spectrului solar // Appl. Fiz. Lett. 2006. - Vol. 89. - Nu. 15.- P. 153120.
79. Prodan E., Nordlander P. Plasmon hybridization in spherical nanoparticules // J. Chem. Fiz. 2004. - Vol. 120. - Nu. 11. - P. 5444-5454.
80. Brandl D.W., Mirin N.A., Nordländer P. Plasmon Modes of Nanosphere Trimcrs and Quadrumers // J. Phys. Chim. B. 2006. - Vol. 110. - Nu. 25. - P. 12302-12310.
81. Ruppm R., Englman R. Optical lattice vibrations in finite ionic crystals: II // J. Phys. C. 1968. - Vol. 1. - Nu. 3. - P. 630-643.
82. Fuller K.A. Imprăștirea luminii prin sfere acoperite // Opt. Lett. 1993. Vol. 18. - Nu. 4. - P. 257-259.
83. Irimajiri A., Hanai T., Inouyc A. A dielectric theory of "multi-stratified shell" model with its application to a limfom cell //J. Theor. Biol. -Vol. 78. Nu. 2. - P. 251-269.
84. Manual de constante optice ale solidelor II / Ed. de E.D. Palik; San Diego Academic, 1991.
85. Pines D., Nozier F. Teoria lichidelor cuantice. M. Mir, 1967.
86. Johnson R.W., Christy R.W. Constante optice ale metalelor nobile // Fiz. Rev. B. 1972. - Vol. 6. - Nu. 12. - P. 4370-4379.
87. Alexandrov A.F., Rukhadze A.A. Prelegeri despre electrodinamica mediilor asemănătoare plasmei. Moscova: Editura Universității din Moscova. Facultatea de Fizică, Universitatea de Stat din Moscova, 1999.
88. Landau L.D., Lifshits E.M. Electrodinamica mediilor continue. Moscova: Nauka, 1982.
89. Kaue G.W.C., Laby T.N. Tabele constantelor fizice și chimice Ed. 16. New York: Longman, 1995.
90. Korn G., Korn T. Manual de matematică pentru oameni de știință și ingineri. M. Nauka, 1973.
91. Nanoparticule de aluminiu ca substraturi pentru fluorescența îmbunătățită cu metale în ultraviolete pentru detectarea fără etichete a biomoleculelor /M.H. Chowdhury, K. Ray, S.K. Gray, J. Pond, J.R. Lakowicz // Anal. Chim. 2009. - Vol. 81. - Nu. 4. - P. 1397-1403.
92. Scaife B.K.P Principiile dielectricilor. Oxford: Oxford Science Publications, 1998.
93. Aspnes D.E., Studna A.A. Funcții dielectrice și parametri optici ai SI, GE, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs și InSb de la 1,5 la 6,0 eV, Phys. Rev. B. 1983. - Vol. 27. - Nu. 2. - P. 985-1009.
94. Forouhi A.R., Bloomer I. Proprietăți optice ale semiconductorilor și dielectricilor cristalini, Phys. Rev. B. 1988. - Vol. 38. - Nu. 3. - P. 1865-1874.
Vă rugăm să rețineți că textele științifice prezentate mai sus sunt postate pentru revizuire și obținute prin recunoașterea textelor originale ale disertațiilor (OCR). În acest sens, ele pot conține erori legate de imperfecțiunea algoritmilor de recunoaștere. Nu există astfel de erori în fișierele PDF ale disertațiilor și rezumatelor pe care le livrăm.
1Nanoparticulele metalice, care demonstrează prezența rezonanței plasmonului de suprafață la interfața metal-dielectric, au un potențial mare de utilizare ca senzori extrem de sensibili pentru cercetarea biologică și medicală. Rezonanța plasmonilor de suprafață are loc la interfața dintre metal și dielectric. Frecvența rezonanței plasmonilor de suprafață depinde atât de permitivitățile suprafețelor adiacente, cât și de forma suprafeței. Dependența poziției maximului de rezonanță plasmonului de suprafață de dimensiunile geometrice ale nanoparticulelor face posibilă fabricarea de nanoparticule pentru cercetarea biologică, a căror frecvență de rezonanță coincide cu frecvența naturală a vibrațiilor diferiților reactivi biologici. În această lucrare, luăm în considerare nanoparticulele sferice constând dintr-un miez semiconductor înconjurat de o carcasă metalică. Dependența complexă a permitivității unui semiconductor de frecvență poate duce la apariția unei rezonanțe plasmonice de suprafață suplimentare la frecvențe diferite. Lucrarea ia în considerare tensorul de permitivitate dielectrică al unui semiconductor și ia în considerare dependența de frecvență a componentelor tensorilor. Constanta dielectrică a unui metal este calculată în cadrul formalismului Drude. În această lucrare, se calculează secțiunea transversală de absorbție a nanoparticulelor cu o coajă de aur și se arată că dependența componentelor tensorului de permitivitate al unui semiconductor de mărimea câmpului magnetic extern face posibilă schimbarea poziției maxim de rezonanță plasmonică de suprafață maximă prin modificarea câmpului magnetic. Astfel, s-a demonstrat că nanoparticulele cu miez semiconductor și înveliș metalic pot servi drept senzori pentru diverse biomolecule, în funcție de mărimea câmpului magnetic.
nanoparticule
Rezonanța plasmonului de suprafață
semiconductor
model drude
1. Bas, F.G. Proprietăți de înaltă frecvență ale semiconductorilor cu superrețele / F.G. Bass, A.A. Bulgakov, A.P. Tetervov - M: Nauka, 1989. - 288 p.
2. Boren, K. Absorbția și împrăștierea luminii prin particule mici / K. Boren, D. Huffman. – M.: Mir, 1986. – 340 p.
3. Golovkina M.V. Reflectarea unei unde electromagnetice dintr-un sistem supraconductor-semiconductor / M.V. Golovkina // Tehnologii moderne intensive în știință. 2009. Nr 8. S. 8-10.
4. Dykman L.A. Aplicația biomedicală a nanocompozitelor multifuncționale de aur / L.A. Dykman, N.G. Hlebtsov // Progrese în chimia biologică. - 2016. - T. 56. - S. 411-450.
5. Klimov, V.V. Nanoplasmonics / V.V. Klimov. – M.: Fizmatlit, 2009. – 480 p.
6. Sinteza nanoparticulelor de magnetit-aur având o structură miez-înveliș / P.G. Rudakovskaya [et al.] // Buletinul Universității din Moscova. Seria 2. Chimie. - 2015. -T. 56. - Nr 3 - S. 181-189.
7. Golovkina M.V. Structuri periodice semiconductoare cu metamateriale. Proceedings International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON-2009. Tomsk, 2009. - P. 133-137.
Nanoparticulele și structurile nanocompozite bazate pe acestea au intrat recent în atenția oamenilor de știință și a inginerilor. Progresele în tehnologia de fabricare a nanoparticulelor au făcut posibilă fabricarea de nanoparticule sferice și elipsoidale cu o rază de câțiva nanometri, precum și de nanoparticule cu structură complexă cu o înveliș. Nanoparticulele și materialele nanocompozite bazate pe acestea sunt utilizate pentru fabricarea de dispozitive în stare solidă pentru fotonică și optoelectronică, cum ar fi filtre, amplificatoare și pot fi, de asemenea, utilizate ca senzori de înaltă performanță, foarte sensibili. Nanoparticulele metalice sau nanoparticulele cu o carcasă metalică având rezonanță plasmonică la suprafață își găsesc aplicații în diverse domenii ale științei și tehnologiei, cum ar fi chimie, fizică, biologie, medicină, nanotehnologie, biotehnologie etc. Nanoparticulele magnetice au, de asemenea, un mare potențial de utilizare în biologie și medicină. Datorită magnetizării specifice ridicate și a posibilității de legare pe suprafața moleculelor biologice, nanoparticulele magnetice pe bază de oxid de fier sunt un material promițător pentru dezvoltarea agenților de contrast selectiv pentru imagistica prin rezonanță magnetică. Rezolvarea problemelor biochimice de diferite grade de complexitate necesită o combinație de proprietăți magnetice și proprietăți speciale de suprafață care sunt observate în nanoparticule. Nanoparticulele de magnetită funcționalizate cu biomolecule (anticorpi, enzime, nucleotide etc.) pentru țintirea sau recunoașterea sistemelor biologice pot fi utilizate ca materiale pentru livrarea țintită medicamente.
O atenție specială merită nanoparticulele nucleu-cochilie, care au capacitatea de a combina proprietățile mai multor materiale într-o singură particulă. Astfel, utilizarea magnetitei ca miez pentru materiale de tip miez-cochiliu face posibilă evitarea tuturor dezavantajelor pe care le demonstrează soluțiile coloidale de nanoparticule de oxid de fier. Sunt toxice, prezintă o tendință de agregare rapidă în diverse soluții biologice și dificultăți în funcționalizarea suprafeței. Nanoparticulele acoperite pot fi folosite pentru a depăși aceste deficiențe. Materialele anorganice sunt folosite ca înveliș, oferind stabilitate, funcționalizare ușoară a suprafeței și biocompatibilitate. Un material potrivit și optim pentru formarea unei învelișuri de nanoparticule este aurul, care are biocompatibilitate și stabilitate ridicată.
Soluțiile coloidale de particule mici de aur au fost folosite în scopuri medicinale încă din cele mai vechi timpuri. Cu toate acestea, numai în ultimele decenii, datorită apariției de noi date pe optice unice și proprietati fizice si chimice nanoparticule de aur, utilizarea lor activă a început în diverse scopuri biologice și medicale, atât în biologie experimentală și medicină, cât și în practică.
Interesul pentru aur și alte particule de metal nobil (de exemplu, nanoparticulele de argint) se datorează proprietăților lor optice unice asociate cu excitarea rezonanțelor plasmonilor localizate în nanoparticulele de metal care interacționează cu lumina. Aceste excitații ale plasmonilor de suprafață conduc la o întreagă clasă de proprietăți liniare îmbunătățite de plasmoni, cum ar fi absorbția rezonantă, împrăștierea, generarea de câmpuri locale puternice și împrăștierea Raman gigantică.
În nanotehnologie, care își găsește aplicație în cercetarea biomedicală, se folosesc nanoparticule de aur și argint, care adsorb bine diverși reactivi biologici. De exemplu, macromoleculele biologice, moleculele care acționează ca o sondă, cum ar fi anticorpii, pot fi atașate la nanoparticulele metalice. Nanostructurile care conțin o nanoparticulă ca miez cu molecule biologice atașate la ele se numesc bioconjugate sau conjugate. În acest caz, atașarea biomacromoleculelor la nanoparticule se numește funcționalizare. În acest caz, biomacromolecula conjugatului este utilizată pentru a se atașa de obiectul biologic care este ținta. Nanoparticulele de aur sunt utilizate pe scară largă în biomedicină și datorită biocompatibilității bune, reactivității chimice scăzute și funcționalizării bune. Cu toate acestea, unele metale, cum ar fi argintul, pot prezenta activitate chimică ridicată, prin urmare, astfel de nanoparticule de metal, care funcționează pe baza rezonanței plasmonilor de suprafață, trebuie să fie înconjurate de o înveliș dielectric care le va proteja de contactul cu mediul biologic analizat. Astfel, nanoparticulele cu înveliș sunt potrivite pentru aplicații practice: nanoparticule dielectrice cu înveliș de aur, care asigură o funcționalizare bună, sau nanoparticule de metal cu înveliș dielectric care împiedică contactul chimic cu analitul. Cu toate acestea, trebuie amintit că o creștere a grosimii învelișului dielectric al nanoparticulelor duce la o scădere a sensibilității, adică la o scădere a deplasării maximului de rezonanță plasmonului cu o modificare a indicelui de refracție al soluției analizate. Prin urmare, o sarcină importantă este de a optimiza parametrii nanoparticulelor și de a selecta dimensiunile geometrice și grosimea învelișului acestora, ceea ce va oferi o creștere a sensibilității deplasării spectrale a maximului rezonanței plasmonilor de suprafață.
Pentru sarcini biomedicale, se folosesc nanoparticule semiconductoare, care pot fi folosite ca sonde sau etichete luminiscente, care sunt folosite, de exemplu, pentru tomografia cu fluorescență. Mai mult, utilizarea nanoparticulelor semiconductoare cu o carcasă a unui semiconductor cu decalaj mai mare duce la o creștere a luminiscenței.
În această lucrare, luăm în considerare nanoparticulele sferice cu un miez semiconductor înconjurat de o carcasă metalică. Permitivitatea unui metal este considerată în cadrul modelului Drude și este exprimată prin următoarea formulă:
unde er este partea de rețea a permisivității,
wр - frecvența plasmei pentru metal,
g este frecvența de coliziune pentru metal. Frecvența de coliziune determină prezența atenuării în mediu.
Tensorul de permitivitate al unui semiconductor este scris într-o formă cunoscută:
, (2)
unde componentele tensorului de permitivitate au următoarea formă:
Aici wpp este frecvența plasmei pentru semiconductor,
wс - frecvența ciclotronului,
n este frecvența de coliziune pentru semiconductor,
e0р este partea de rețea a permitivității pentru un semiconductor.
Rezultatele calculării dependenței de frecvență a componentelor tensorului de permitivitate al unui semiconductor model sunt prezentate în figurile 1 și 2.
Figurile 1 și 2 arată că dependența de frecvență a componentelor tensoarelor de permitivitate dielectrică e^ și ea este complexă. La o anumită frecvență, care depinde de frecvența ciclotronului wc, semnul componentelor tensorilor se modifică. Dacă miezul nanoparticulelor este format dintr-un semiconductor, atunci o astfel de modificare a semnului componentelor e^ și ea duce la o modificare a frecvenței de rezonanță a plasmonilor de suprafață la interfața cu carcasa metalică și chiar la apariția unui nou plasmon de suprafață. frecvențele de rezonanță.
Fig.1. Graficul dependenței componentei tensorului e^ a permitivității unui semiconductor de frecvență. Curbă continuă: wc=1,5×1014 rad/s, linie punctată: wc=2×1014 rad/s, linie lungă punctată: wc=4×1014 rad/s
Fig.2. Graficul componentei tensorului ea a permisivității unui semiconductor în funcție de frecvență. Curbă continuă: wc=1,5×1014 rad/s, linie punctată: wc=2×1014 rad/s, linie lungă punctată: wc=4×1014 rad/s
Frecvența ciclotronului pentru un semiconductor este calculată după cum urmează (în sistemul CGS):
unde H este puterea câmpului magnetic extern.
Deoarece frecvența ciclotronului a unui semiconductor depinde de mărimea câmpului magnetic extern, modificarea câmpului magnetic poate modifica frecvența rezonanței plasmonului de suprafață în nanoparticulele cu înveliș metalic. Astfel, nanoparticulele cu o carcasă și un miez semiconductor au următoarea proprietate importantă: parametrii electrodinamici ai unor astfel de nanoparticule pot fi controlați prin modificarea mărimii câmpului magnetic extern.
Găsirea poziției rezonanței plasmonului de suprafață maximă, care se observă la interfața sferică semiconductor-metal, este o problemă complexă care nu are o soluție analitică. Pentru a determina numeric frecvența de rezonanță a plasmonilor de suprafață, vom calcula secțiunea transversală de absorbție a unei nanoparticule cu înveliș metalic în conformitate cu tehnica descrisă în lucrări. Rezultatele calculului secțiunii transversale de absorbție sunt prezentate în Figura 3.
Fig.3. Calculul secțiunii transversale de absorbție a unei nanoparticule semiconductoare cu o coajă de aur. Raza miezului 27 nm, grosimea carcasei 17 nm. Curbă solidă: wc=1,5×1014 rad/s, linie punctată: wc=2×1014 rad/s
Figura 3 arată clar că o creștere a frecvenței ciclotronului a unui semiconductor de la 1,5 × 1014 rad/s la 2 × 1014 rad/s, observată cu o creștere a câmpului magnetic extern, duce la o schimbare a maximului de rezonanță plasmonului de suprafață de la 1,35 µm până la 1, 58 µm.
În această lucrare sunt studiate nanoparticulele cu înveliș, care pot fi folosite ca senzori pentru cercetarea biologică și medicală. Sunt luate în considerare nanoparticulele formate dintr-un miez semiconductor și o carcasă metalică. Luând în considerare permisivitatea metalului, calculată în cadrul modelului Drude, și dependența de frecvență a componentelor tensorului de permitivitate dielectric al semiconductorului, s-a calculat secțiunea transversală de absorbție a nanoparticulelor considerate cu înveliș de aur. Se arată că o modificare a câmpului magnetic afectează poziția rezonanței plasmonului de suprafață în nanoparticule. Rezultatele obținute în lucrare pot fi folosite pentru a crea agenți de contrast pentru imagistica prin rezonanță magnetică sau ca etichete biologice.
Link bibliografic
Orkina V.E., Golovkina M.V. CALCULUL PARAMETRILOR NANOPARTICULELOR DECOCĂTITE PENTRU CERCETARE BIOLOGICĂ // International Student Scientific Bulletin. - 2018. - Nr. 2.;URL: http://eduherald.ru/ru/article/view?id=18408 (data accesului: 17/12/2019). Vă aducem la cunoștință jurnale publicate de editura „Academia de Istorie Naturală”
