Поверхностный плазмонный резонанс
Природа поверхностного плазмонного резонанса
Поверхностный плазмонный резонанс — это коллективное колебание свободных электронов металла, возбуждаемое электромагнитным излучением на границе металл — диэлектрик. При совпадении частоты электромагнитного поля с собственной частотой плазмонных колебаний возникает резонансное усиление электромагнитного поля на поверхности металлических наночастиц.
Условия возникновения и спектральные особенности
- ППР наблюдается у наночастиц из благородных металлов (золото, серебро, медь) с размерами порядка 10–100 нм.
- Резонансная частота зависит от размера, формы наночастицы, а также от диэлектрической среды, окружающей частицы.
- Сдвиг резонансной полосы при изменении параметров частицы используется для высокочувствительного датирования.
Механизм возбуждения ППР
Электромагнитное излучение вызывает смещение электронного газа относительно ионной решётки, что приводит к образованию коллективной волны — поверхностного плазмона. Его колебания локализованы на поверхности и сильно усиливают локальное электромагнитное поле.
Применение ППР
- Оптические датчики: Использование чувствительности ППР к изменениям окружающей среды (например, биомолекулы, газовые среды).
- Усиление сигнала: В спектроскопии (Раман, флуоресценция) локальное усиление электромагнитного поля повышает чувствительность измерений.
- Фототермические эффекты: Локальное поглощение света приводит к нагреву наночастиц, используемому в медицине (например, разрушение опухолей).
- Нанофотоника и метаматериалы: Конструирование устройств, управляемых на наноуровне для фокусировки, фильтрации и управления светом.
Влияние формы и размера наночастиц на ППР
- Частицы сферической формы имеют один основной резонансный пик.
- Наностержни и более сложные геометрии демонстрируют множественные резонансные полосы из-за разных типов колебаний (продольных и поперечных).
- Уменьшение размера частиц до нескольких нанометров приводит к расширению и ослаблению резонансного пика из-за квантовых и поверхностных эффектов.
Модель описания ППР
- Классическая теория (модель Друде): Электроны рассматриваются как свободный электронный газ, взаимодействующий с электромагнитным полем.
- Модель МИ (Михеляса-Изгибова): Учитывает размерные эффекты и затухания в наночастицах.
- Квантовые модели: Включают влияние квантования энергии и дискретных состояний электронов в очень малых наночастицах.
Методы наблюдения и анализа ППР
- Спектрофотометрия (ультрафиолет-видимый диапазон)
- Электронная микроскопия с оптическими методами
- Ультрабыстрая спектроскопия для изучения динамики плазмонных колебаний
Детальное понимание магнитных свойств металлических наночастиц и феномена поверхностного плазмонного резонанса позволяет создавать новые материалы и технологии в области нанофизики, оптоэлектроники, биомедицины и катализа, открывая уникальные возможности управления физическими процессами на наноуровне.