МОДЕЛИРОВАНИЕ СЕЧЕНИЯ РАССЕЯНИЯ ЗОЛОТОЙ НАНОЧАСТИЦЫ В ОПТИЧЕСКОМ ДИАПАЗОНЕ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

МОДЕЛИРОВАНИЕ СЕЧЕНИЯ РАССЕЯНИЯ ЗОЛОТОЙ НАНОЧАСТИЦЫ В ОПТИЧЕСКОМ ДИАПАЗОНЕ

1 2 © Новожеева А.А. , Боловин А.А. ,

Конов К.И.1, Матвеева М.В.1

Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики», г. Москва

В работе проведено моделирование рассеяния электромагнитного излучения оптического диапазона золотой наночастицей.

Ключевые слова: наноплазмоника, наночастицы, оптика, моделирование.

Наноплазмоника - это составляющая часть металлооптики на наномет-ровых масштабах. Предметом наноплазмоники являются оптические свойства металлических наночастиц и наноструктур, которые обусловлены колебаниями электронов проводимости относительно кристаллической решетки. Возникновение интереса к наноплазмонике связано с появлением нанотехнологий, позволяющих синтезировать наночастицы, фактически произвольной формы и состава. Современная диагностическая и компьютерная техника позволяют детально характеризовать свойства отдельных наночастиц и наноструктур, а также предсказывать и оптимизировать свойства наночастиц и устройств, построенных на их базе.

Важность наноплазмоники обусловлена, прежде всего, тремя факторами. Эти факторы можно также отнести к основным функциям наноантенн.

Во-первых, вокруг и внутри наночастиц может происходить локализация оптических полей.

Во-вторых, металлические наночастицы обладают собственными колебаниями с частотами в оптической области, от ультрафиолетового до инфракрасного диапазонов.

В-третьих, использование различных материалов и структур, а также изменение размеров и геометрии наночастиц, напрямую влияет на характеристики поглощения и излучения.

Таким образом, можно определить основные свойства и направления использования наноантенн:

1) концентрация энергии падающего излучения - медицина, фото-вольтаика;

1 Студент.

2 Бакалавр.

2) управление процессами поглощения и излучения квантовых излучателей (атомов или молекул) - плазмонный нанолазер, детектирование определенных молекул или молекулярных групп;

3) рассеяние или поглощение волн в заданном диапазоне - всевозможные покрытия, нагрев наночастиц в медицине.

Одновременное существование этих особенностей металлических наночастиц обуславливает интересную и сложную физику, которая является основой для многих приложений. Металлических наночастицы, а также их уникальные физические свойства, широко используются в разных областях промышленности: светоотражатели в специальных видах краски (люминесценция), антенные излучатели в нанометровом диапазоне, диагностика раковых заболеваний.

В медицине, ранняя диагностика тяжело излечимых заболеваний, является актуальной проблемой. Использование наночастиц в качестве контрастных агентов для обнаружения рака на ранней стадии может стать решением данной проблемы. Наночастицы, покрытые антителами, сопряженными с антигенами, специфическими для раковых клетокприкрепляются к раковым клеткам, но не прикрепляются к здоровым. Облучение электромагнитным излучением данных наночастиц, сопутствует визуализации и обнаружению раковых клеток в организме.

Также, хорошо известно явление поверхностного плазмонного резонанса, связанное с существованием поверхностных электромагнитных волн на границе металла и диэлектрика, амплитуда которых экспоненциально затухает вглубь от границы в обе стороны [1]. В последнее время повышенное внимание уделяется исследованию поверхностного плазмонного резонанса в металлических наночастицах. Сущность данного явления состоит в резонансе между внутренними коллективными колебаниями электронов в металле с колебаниями, генерируемыми распространяющейся электромагнитной волной,возникает резонанс, приводящий к резкому усилению поля на поверхности частицы и увеличению сечения поглощения.

Оптическими свойствами наночастиц можно управлять. Для этого используются различные методы изменения формы, структуры, а также материала частицы. Изменяя эти показатели можно повлиять на процессы поглощения и излучения.

Как известно - металлы используют в СВЧ области из-за отражающих характеристик. Однако по мере увеличения частоты и при переходе в УФ диапазон, некоторые металлы становятся энергетически прозрачными, а другие - сильно поглощающими.Объясняется это разницей межзонных переходов. Это сложное поведение можно описать с помощью диэлектрической проницаемости [1]. Межзонные переходы в благородных металлах возникают в видимой области и ограничивают область применения простой плазменной модели. Модель свободных электронов не принимает во внимание неоднородности потенциала решетки и взаимодействия электронов с

130 УПРАВЛЕНИЕ ИННОВАЦИЯМИ: ТЕОРИЯ, МЕТОДОЛОГИЯ, ПРАКТИКА

электронами, и все влияние зонной теориисводится к введению эффективной массы электрона т* вместомассы свободного электрона (модель квазисвободных электронов).

1<.е п 1ш и

<1от - эксперимент, данные с саИта ЬПр г^Ьосг^ еЬ! се>: Ь:1о «Ы - аппроксимация Друдс £^=6-8, Ер|=8.89 аВ, г=8 фс (^=1.25х101Л Гц} КеМ

О 300 600 «10 1200 1500

нм

Рис. 1. Зависимость диэлектрической проницаемости золота от длины волны

График зависимости диэлектрической проницаемости золота от длины волны, использованный в данной работе, представлен на рис. 1.

Теорией Друде-Зоммерфельда [2-3], из-за аналитической зависимости от частоты, можно использовать как для аналитических, так и для численных исследований монохроматических плазмонных колебаний в наноструктурах и наночастицах. Эта теория может быть применена также в исследовании плазмонных колебаний во временной области через использование соотношения (1), которое описывает движение электрона во внешнем электромагнитном поле Е.

Рис. 2. Модель сферической наночастицы

Рис. 3. Диаграмма напряженности поля в дальней зоне

В работе проведено моделирование металлических (золотых) наноча-стиц для оптического диапазона частот (рис. 2). Моделирование и расчеты были проведены методом расчета сечения рассеяния наночастиц. Проанализированы распределения энергии в дальней зоне рассеянного поля золотой наночастицы (см. рис. 3), а также, проанализировано количество тепловых потерь энергии внутри частицы. Рассмотрена зависимость плазмонного резонанса от размеров наночастицы. Получены распределения напряженности электрического поля в зависимости от удаления от частицы.

Как видно на рис. 2 сферическая наночастица ведет себя подобно диполю.

Список литературы:

1. Климов В.В. Наноплазмоника. - М.: Физматлит, 2009.

2. Drude P. Zur Elektronentheorie der Metalle., Annalen der Physik, 1. 1900.

3. Sommerfeld A., Bethe H. Elektronentheorie der Metalle, Handbuch der Physik. 1933, Vol. 24-2.