An optical absorption of the composite with the nanoparticles, which are covered by the surfactant layer

Н.А. Смирнова; М.С. Манюк; А.В. Коротун; І.М. Тітов

doi:10.15330/pcss.24.1.181-189

Автор(и)

Н.А. Смирнова Національний університет «Запорізька політехніка», Запоріжжя, Україна
М.С. Манюк Національний університет «Запорізька політехніка», Запоріжжя, Україна
А.В. Коротун Національний університет «Запорізька політехніка», Запоріжжя, Україна; Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України, Київ, Україна
І.М. Тітов UAD Systems, Запоріжжя, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.24.1.181-189

Ключові слова:

діелектричний тензор;, коефіцієнт поглинання;, адсорбат;, поверхневий плазмонний резонанс;, нанокомпозит;, розмірна залежність;, ефективна швидкість релаксації

Анотація

В роботі досліджено оптичні властивості нанокомпозиту з двошаровими сферичними включеннями «металеве ядро – шар поверхнево активної речовини». Розглянуто питання про вплив процесів на інтерфейсі «метал – адсорбат» на збудження поверхневих плазмонних резонансів у наночастинці. Встановлено факт розщеплення поверхневого плазмонного резонансу внаслідок впливу адсорбційних зв’язків поблизу поверхні металевих наночастинок і виникнення додаткових енергетичних станів. Отримано співвідношення для ефективних параметрів, що описують втрати когерентності при розсіюванні на хімічному інтерфейсі. Проведено розрахунки частотних залежностей діагональних компонент тензора діелектричної проникності двошарової наночастинки та коефіцієнта поглинання нанокомпозиту. Показано, що частотні залежності дійсної й уявної частин поздовжньої компоненти діелектричного тензора близькі до аналогічних залежностей дійсної й уявної частин діелектричної функції сферичної металевої наночастинки, в той час як дійсна й уявна частини поперечної компоненти слабко залежать від частоти у видимій області спектра й осцилюють в інфрачервоній області. Встановлено, що коефіцієнт поглинання нанокомпозиту може мати один або два максимуми в залежності від розмірів і матеріалу частинок-включень.

Посилання

P. Yang, J. Zheng, X. Yong, Q. Zhang, L. Jiang, Colloidal synthesis and applications of plasmonic metal nanoparticles, Adv. Mater., 28, 10508 (2016); https://doi.org/10.1002/adma.201601739.

M.C. Mathpal, P. Kumar, A.K. Tripathi, R. Balasubramaniyan, M.K. Singh, J.S. Chung, A. Agarwal, Facile deposition and plasmonic resonance of Ag-Au nanoparticles in titania thin film, New J. Chem., 39, (2015); https://doi.org/10.1039/C5NJ00710K.

J. Wang, G. Jia, B. Zhang, H. Liu, C. Liu, Formation and optical absorption property of nanometer metallic colloids in Zn and Ag dually implanted silica: Synthesis of the modified Ag nanoparticles, J. Appl. Phys., 113, 034304 (2013); https://doi.org/10.1063/1.4775820.

G. Jia, H. Liu, M. Xiaoyu, H. Dai, C. Liu Xe ion irradiationinduced polycrystallization of Ag nanoparticles embedded in SiO2 and related optical absorption property, Opt. Mater. Express, 4(7), 1303 (2014); https://doi.org/10.1364/OME.4.001303.

C.P. Byers, H. Zhang, D.F. Swearer, M. Yorulmaz, B.S. Hoener, D. Huang, A. Hoggard, W.S. Chang, P. Mulvaney, E. Ringe, From tunable core-shell nanoparticles to plasmonic drawbridges: Active control of nanoparticle optical properties, Sci. Adv., 1(11), 1500988 (2015); https://doi.org/10.1126/sciadv.1500988.

J. Jana, M. Ganguly, T. Pal, Enlightening surface plasmon resonance effect of metal nanoparticles for practical spectroscopic application, RSC Adv., 6(89), 86174 (2016); https://doi.org/10.1039/C6RA14173K.

S. Raza, S.I. Bozhevolnyi, M. Wubs, N.A., Nonlocal optical response in metallic nanostructures, J. Phys.: Condens. Matter., 27, 183204 (2015); https://doi.org/10.1088/0953-8984/27/18/183204.

N. A. Mortensen, S. Raza, M.Wubs, T. Sndergaard, and S. I. Bozhevolnyi, A generalized non-local optical response theory for plasmonic nanostructures, Nat. Commun., 5, 3809 (2014); https://doi.org/10.1038/ncomms4809

J. Olson, S. Dominguez-Medina, A. Hoggard, L.-Y. Wang, W.-S. Chang, S. Link, Optical Characterization of Single Plasmonic Nanoparticles, Chem. Soc. Rev., 44, 40 (2015); https://doi.org/10.1039/C4CS00131A.

M. Liu, M. Pelton, P. Guyot-Sionnest, Reduced Damping of Surface Plasmons at Low Temperatures, Phys. Rev. B, 79, 1 (2009); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.79.035418.

N.I. Grigorchuk, P.M. Tomchuk, Optical and transport properties of spheroidal metal nanoparticles with account for the surface effect, Phys. Rev. B, 84(8), 085448 (2011); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.84.085448.

N.I. Grigorchuk, Plasmon resonant light scattering on spheroidal metallic nanoparticle embedded in a dielectric matrix, EPL, 97(4), 45001 (2012); https://doi.org/10.1209/0295-5075/97/45001

V.M. Lenart, R.F.Turchiello, G.F. Goya, S.L. Gómez, Enhanced Thermal Lens Effect in Gold Nanoparticle-Doped Lyotropic Liquid Crystal by Nanoparticle Clustering Probed by Z-Scan Technique, Braz. J. Phys., 45(2), 213(2015); https://doi.org/10.1007/s13538-015-0301-7.

C. Minnai, P. Milani, Metal-polymer nanocomposite with stable plasmonic tuning under cyclic strain conditions, Appl. Phys. Let., 107(7), 073106. (2015); https://doi.org/10.1063/1.4928725

A. Monti, A. Alù, A.Toscano, F. Bilotti, Optical invisibility through metasurfaces made of plasmonic nanoparticles, J. Appl. Phys., 117(12), 123103 (2015); https://doi.org/10.1063/1.4916257

P. Tuersun, Optimizing the figure of merit of gold nanoshell-based refractive index sensing, Optik, 127(1), 250 (2016); https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2015.10.069

P.M. Tomchuk, M.I. Grigorchuk, Plasmon fluctuations of electrons in metallic nanoparticles of the ellipsoidal form, Metallofizika i Noveishie Tekhnologii, 29(5), 623 (2007);

B.N.J. Persson, Polarizability of small spherical metal particles: influence of the matrix environment, Surface Science, 281(1-2), 153 (1993); https://doi.org/10.1016/0039-6028(93)90865-H.

E.A. Coronado, G.C. Schatz, Surface plasmon broadening for arbitrary shape nanoparticles: A geometrical probability approach, J. Chem. Phys., 119(7), 3926 (2003); https://doi.org/10.1063/1.1587686.

N.I. Grygorchuk, Behaviour of a line of the surface plasmon resonance in metal nanoparticles, Metallofizika i Noveishie Tekhnologii, 38(6), 717 (2016); https://doi.org/10.15407/mfint.38.06.0717.

M. Liu, M. Pelton, P. Guyot-Sionnest, Reduced damping of surface plasmons at low temperatures, Phys. Rev. B, 79(3), 035418 (2009) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.79.035418.

S. Noël, B. Léger, A. Ponchel, K. Philippot, A. Denicourt-Nowicki, A. Roucoux, E. Monflier, Cyclodextrin-based systems for the stabilization of metallic nanoparticles and their versatile applications in catalysis, Catal Today, 235, 20 (2014) https://doi.org/10.1016/j.cattod.2014.03.030.

X.-Y. Zhu, Electron transfer at molecule-metal interfaces: a two-photon photoemission study, Annu. Rev. Phys. Chem., 53, 221 (2002); https://doi.org/10.1146/annurev.physchem.53.082801.093725.

K.A.Willets, R.P. Van Duyne, Localized surface plasmon resonance spectroscopy and sensing, Annual Review of Physical Chemistry, 58, 267 (2007); https://doi.org/10.1146/annurev.physchem.58.032806.104607.

V.M. Rubish, V.K. Kyrylenko, M.O. Durkot, L.I. Makar, M.M. Pop, A.A. Tarnaj, M.L. Trunov, S. Mudry, I. Shtablavyi, Rapid formation methods of arrays of randomly distributed Au and Ag nanoparticles, their morphologies and optical characteristics, Physics and Chemistry of Solid State, 22(4), 804 (2021); https://doi.org/10.15330/pcss.22.4.804-810.

D. Li, Y. Xia, Welding and patterning in a flash, Nature materials, 3(11), 753 (2004); https://doi.org/10.1038/nmat1245.

W. Srituravanich, N. Fang, C. Sun, Q. Luo, X. Zhang, Plasmonic nanolithography, Nano Letters, 4 (6), 1085 (2004); https://doi.org/10.1021/nl049573q.

S. Lal, S. Link, N.J. Halas, Nano-optics from sensing to waveguiding, Nature Photonics, 1(11), 641 (2007); https://doi.org/10.1038/nphoton.2007.223.

A.V. Korotun, A.A. Koval’ , V.I. Reva, Absorption of Electromagnetic Radiation by Oxide-Coated Spherical Metal Nanoparticles, J. Appl. Spectr., 86(4), 606 (2019); https://doi.org/10.1007/s10812-019-00866-6.

A.V. Korotun, A.A.Koval’, V.I. Reva, I.N. Titov, Optical Absorption of a Composite Based on Bimetallic Nanoparticles. Classical Approach, Physics of Metals and Metallography, 120(11), 1040 (2019); https://doi.org/10.1134/S0031918X19090059.

A.V. Korotun, A.A. Koval’, I.N. Titov, Optical Absorption of a Composite Based on Bilayer Metal–Dielectric Spherical Nanoparticles, J. Appl. Spectr., 87(2), 240 (2020); https://doi.org/10.1007/s10812-020-00991-7.

P.M. Tomchuk, V.N.Starkov, Influence of shape spread in an ensemble of metal Nanoparticles on their optical properties, Ukrainian Journal of Physics, 63(3), 204 (2018); https://doi.org/10.15407/ujpe63.3.204.

A.V. Korotun, A.O. Koval, V.V. Pogosov, Optical parameters of bimetallic nanospheres, Ukr. J. Phys., 66(6), 518 (2021); https://doi.org/10.15407/ujpe66.6.518.

A. Pinchuk, U. Kreibig, Interface decay channel of particle surface plasmon resonance, New J. Phys., 5, 151 (2003); https://doi.org/10.1088/1367-2630/5/1/151.

A. Pinchuk, G. von Plessen, U. Kreibig, Influence of interband electronic transitions on the optical absorption in metallic nanoparticles, J. Phys. D: Appl. Phys., 37, 3133 (2004); https://doi.org/10.1088/0022-3727/37/22/012.

A.V. Korotun, N.I. Pavlyshche, Cross Sections for Absorption and Scattering of Electromagnetic Radiation by Ensembles of Metal Nanoparticles of Different Shapes, Physics of Metals and Metallography, 122(10), 941 (2021); https://doi.org/10.1134/S0031918X21100057.

A.V. Korotun, A.A. Koval’, Optical Properties of Spherical Metal Nanoparticles Coated with an Oxide Layer, Optics and Spectroscopy, 127(6), 1161 (2019); https://doi.org/10.1134/S0030400X19120117.

S. Peng, J.M. McMahon, G.C. Schatz, S.K. Gray, Y.Sun, Reversing the size-dependence of surface plasmon resonances, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 107(33), 14530 (2010); https://doi.org/10.1073/pnas.1007524107.