Оптические свойства металлических наноструктур
Плазмонные резонансы и их природа
Оптические свойства металлических наноструктур кардинально отличаются от свойств массивных металлов за счёт коллективных колебаний свободных электронов — локальных поверхностных плазмонов (LSPR). При резонансе частота света совпадает с частотой плазмонных колебаний, что приводит к сильному усилению локального электромагнитного поля.
Ключевые характеристики LSPR:
- Резонансная длина волны зависит от размера, формы и материала наночастицы.
- Резонанс чувствителен к диэлектрической среде вокруг наночастицы.
- Интенсивность и ширина резонансной полосы связана с потерями в металле и рассеянием.
Зависимость оптических свойств от геометрии
- Размер наночастиц: При увеличении диаметра резонанс смещается в инфракрасную область, расширяется и теряет интенсивность.
- Форма (сферы, наностержни, нанопластины):
Неоднородность формы приводит к появлению нескольких плазмонных мод.
- Агрегаты и периодические структуры: Взаимодействия между соседними наночастицами вызывают гибридизацию плазмонных мод, формирование узкополосных резонансов и явлений типа Фано-резонанса.
Квантовые и размерные эффекты
При диаметрах наночастиц менее 10 нм наблюдаются отклонения от классической электродинамики:
- Изменяется концентрация свободных электронов.
- Увеличиваются электрон-фононные и электрон-электронные взаимодействия.
- Появляются эффекты туннелирования в близко расположенных наночастицах.
Спектроскопические методы исследования
- UV-Vis спектроскопия: изучение спектров поглощения и рассеяния.
- Раман-спектроскопия с усилением (SERS): усиление сигнала молекул, адсорбированных на наночастицах.
- Эллипсометрия и спектроскопия поглощения: для определения диэлектрической функции и плазмонных характеристик.
Применения оптических свойств
- Биосенсоры: высокая чувствительность к изменению среды позволяет обнаруживать молекулы и биомаркеры.
- Фотоника и нанофотоника: создание нанолучей, метаматериалов и переключателей.
- Солнечные элементы: улучшение поглощения света и эффективность преобразования.
- Медицина: фототермальная терапия, локальное нагревание для разрушения опухолей.
Ключевые моменты
- Магнитные свойства металлических наночастиц кардинально отличаются от макроскопических, обусловлены квантово-размерными эффектами и поверхностной анизотропией.
- Суперпарамагнетизм — характерное состояние для малых наночастиц, важное для биомедицинских приложений.
- Оптические свойства металлических наноструктур определяются локальными поверхностными плазмонами, чья резонансная частота зависит от геометрии и среды.
- Квантовые эффекты при размерах менее 10 нм влияют на поведение плазмонов, вызывая отклонения от классических моделей.
- Практическое применение магнитных и оптических свойств наноматериалов охватывает области медицины, электроники, энергетики и сенсорики.