CC BY
40
УДК 535.015:535.343.9
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОГЛОЩЕНИЯ
И РАССЕЯНИЯ СВЕТА МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ НАНОЧАСТИЦАМИ, ПОКРЫТЫМИ J-АГРЕГАТОМ ОРГАНИЧЕСКОГО КРАСИТЕЛЯ
A.C. Медведев1, В. С. Лебедев2'1
Приведены результаты теоретического ■исследования оптических свойств композитных наночастиц, состоящих из металлического ядра (Ад, Аи, Си, AI, Ni, Cr) и J-агрегатной оболочки органического красителя. Расчеты, коэффициентов экстинкции, поглощения, и рассеяния, света такими наночастицами в коллоидных растворах выполнены в рамках модели, которая, основана на теории Ми, модифицированной с учетом, размерны,х явлений и дополненной расчетами комплексных диэлектрических функций металлического ядра и J-агрегатной оболочки. Модель успешно объясняет наблюдаемые закономерности в спектра,X поглощения, и рассеяния, света гибридны,ми наночастицами, связанные с плазмонным, резонансом в металлическом ядре и с электронны,м возбуждением, J-агрегата. Показа,на, существенная, зависимость результатов от геометрических параметров наночастиц и от диэлектрических констант материалов ядра, и оболочки. Обсуждаются, способы, управления, эффектами плазАьон-экситонного взаимодействия в системе и оптическими свойствами композитных материалов, созданных на основе исследуемых наночастиц.
Ключевые слова: композитные патточастицы, поглощение pi рассеяние света, J-агрегаты.
1 Московский физико-технический институт (Государственный университет), Институтский пер.
9, Долгопрудный, Московская область, 141700.
2 Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Ленинский проспект 53, Москва, 119991; e-mail:
primefc@gmail.com
Интерес к изучению оптических явлений в наноструктурах связан с интенсивным развитием нанооптики и определяется потребностями в создании и изучении новых материалов для фотонных и оптоэлектронных устройств. Перспективы в развитии этого направления имеют гибридные материалы, созданные на основе металлических наночастиц, покрытых тонким слоем органического красителя в Л-агрегатном состоянии. Такие структуры, представляют, в частности, интерес для эффективного переноса ближнепольного оптического возбуждения. Уникальность таких наночастиц состоит в том, что в них существенным образом проявляются резонансные эффекты взаимодействия локализованных в металлическом ядре плазмонов с Френкелевским эксито-ном Л-агрегатной оболочки, а также в возможности управления их спектральными и нелинейно-оптическими свойствами, зависящими от их геометрических параметров и материалов. Композитные наночастицы диаметром ~ 10 нм, состоящие из ядра благородного металла (Ag, Аи) и Л-агрегатной оболочки цианинового красителя, были синтезированы в ряде работ [1-3]. Объяснение полученных в этих работах спектральных закономерностей, связанных с плазмонным резонансом в ядре и с электронным возбуждением Л-агрегата, было дано в [4] в рамках модели, основанной на теории поглощения света малыми частицами и на расчетах поляризуемости системы двух концентрических сфер. Спектры рассеяния света двухкомпонентными наночастицами (Аи/Л-агрегат) радиусом ~25-75 нм исследовались в [5].
Рис. 1: Сечения поглощения, рассеяния и экстинкции для частиц с серебряным ядром радиусом 25 нм и оболочкой ш ^агрегата цианинового красителя толщиной 1 нм.
Задача данной работы состоит в проведении расчетов спектров поглощения, рассеяния и экстинкции в широком диапазоне геометрических параметров двухкомпонент-
ных наночастиц (гп ж 3 — 100 нм, толщина обол очки I ж 1 — 5 им). Моделирование их спектральных характеристик выполнено для различных материалов ядра (Ag, Аи, Си, А1, N1, Сг) и для Л-агрегатов органических красителей с пиками поглощения, расположенными в различных областях видимого диапазона. Наряду с этим проведено исследование оптических свойств трехкомпонентных наночастиц, состоящих из металлического ядра, Л-агрегатной оболочки красителя и промежуточного пассивного слоя между ними (созданного для уменьшения скорости тушения люминесценции оболочки красителя из-за взаимодействия с ядром). Проведенные расчеты коэффициентов экстинкции, поглощения и рассеяния света гибридными наночастицами в коллоидных растворах основаны на теории Ми, модифицированной с учетом размерных явлений и дополненной расчетами комплексных диэлектрических функций ядра и оболочки. Учет размерного эффекта проведен путем замены частоты рассеяния свободного электрона в "объемном" металле на соответствующую величину, учитывающую рассеяние электронов на границе металлической наночастицы в случае, когда ее размер становится меньше длины свободного электрона в массивном образце.
300 400 500 600
X, нм
30
55
На рис. 1 в качестве примера приведены результаты расчетов спектральных зависимостей сечений поглощения, рассеяния и экстинкции от длины световой волны для гибридных частиц с серебряным ядром гп = 20 нм и Л-агрегатной оболочкой циани-нового красителя толщиной 1 нм. Видно, что для полученных спектров характерно наличие двух пиков, связанных с плазмонным резонансом в ядре и с электронным
возбуждением Л-агрегата. Из сравнения аналогичных расчетов с имеющимися экспериментальными данными для гибридных частиц Ag/J-aгpeгaт и Аи/Л-агрегат с радиусом ~5-10 нм следует, что теория успешно воспроизводит основные закономерности в спектрах исследуемых наноструктур.
При переходе к металлоорганическим частицам с промежуточным пассивным слоем между металлическим ядром и Л-агрегатной оболочкой поведение сечения в зависимости от длины волны заметно изменяется (рис. 2). Это проявляется в существенном изменении распределения интенсивности по спектру. Полученный результат свидетельствует, таким образом, об изменении характера плазмон-экситонного взаимодействия в системе при наличии промежуточного пассивного слоя между металлом и красителем.
Проведенные расчеты показывают также, что спектральные характеристики метал-лоорганических наночастиц сильно зависят от их геометрических параметров, в том числе от полного радиуса частицы и от соотношения размеров ядра и оболочки (рис. 3). Изменение оптических констант материала ядра дополнительно приводит к существенному изменению спектров поглощения и рассеяния. Это открывает возможность управления эффектами плазмон-экситонного взаимодействия и оптическими характеристиками композитных материалов (в том числе однослойных и многослойных пленок), созданных на основе исследуемых металлоорганических наночастиц.
X, нм
Рис. 3: Сечение поглощения частиц с серебряным ядром радиусом 20 нм и J-aгpeгamнoй оболочкой толщиной 5 нм (сплошная кривая); сечение поглощения частиц с серебряным ядром радиусом 24 нм и ^агрегатной оболочкой толщиной 1 нм (штриховая кривая).
Исследования выполнены при финансовой поддержке программ "Фундаментальная оптическая спектроскопия и ее приложения" и "Физические и технологические исследования полупроводниковых лазеров, направленные на достижение предельных параметров" Отделения физических наук РАН. проектов РФФИ (ЖЛ"2 09-02-01024. 07-02-00656), РНПВШ (проект Л"2 2.1.1/4294) и проекта ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационном России" (государственный контракт Л"2 02.740.11.0447).
ЛИТЕРАТУРА
[1] X. Kometani, М. Tsubonishi, Т. Fujita, et al., Langmuir 17. 578 (2001).
[2] J. Hranisavljevic, X. M. Dimitrijevic, G. A. Wurtz. G. P. Wiederrecht. J. Am. Chem. Soc. 124, 4536 (2002).
[3] G. A. Wurtz, J. Hranisavljevic, G. P. Wiederrecht, J. Microsc. 210, 340 (2003).
[4] V. S. Lebedev, A. G. Vitukhnovsky, A. Yoshida, et al.. Colloids and Surfaces A: Physicochem. and Eng. Aspects 326, 204 (2008).
[5] T. U wad a, R. Toyota, H. Mashuhara, T. Asahi, J. Phys. Chem. С 111, 1549 (2007).
По материалам Я Всероссийской молодежной школы-семинара "Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики", Москва, ФИАН, октябрь 2009 г.
Поступила в редакцию 20 мая 2010 г.
