Влияние формы и ориентации наночастиц на спектральные характеристики композитных сред с включениями золота

Николаев Н.Э., Муратов Д.А., Чехлова Т.К., Копьева М.С.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Николаев Н.Э., Муратов Д.А., Чехлова Т.К., Копьева М.С. Влияние формы и ориентации наночастиц на спектральные характеристики композитных сред с включениями золота // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 6. С. 108–116. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-06-108-116

Nikolaev N.E., Muratov D.A., Chekhlova T.K., Kopyova M.S. Influence of the shape and orientation of nanoparticles on the spectral characteristics of composite media with gold inclusions [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 6. P. 108–116. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-06-108-116

Ссылка на англоязычную версию:

Nikolai E. Nikolaev, Dmitry A. Muratov, Tamara K. Chekhlova, and Maria S. Kop’eva, "Influence of the shape and orientation of nanoparticles on the spectral characteristics of composite media with gold inclusions," Journal of Optical Technology. 92(6), 410-414 (2025). https://doi.org/10.1364/JOT.92.000410

Аннотация:

Предмет исследования. Спектральные характеристики поглощения и пропускания композитных сред, содержащих золотые наночастицы эллипсоидальной формы с различным соотношением полуосей эллипсоида вращения. Цель работы. Установить влияние формы частиц, угла падения излучения и поляризации волны оптического излучения на спектральные характеристики коэффициентов отражения и пропускания композитных сред с золотыми наночастицами. Метод. Использовалась модель эффективной среды Максвелла Гарнетта. Основные результаты. На основе модификации модели Максвелла Гарнетта с учётом фактора деполяризации разработан алгоритм расчёта спектральных характеристик композитной среды. Проведён расчёт спектральных зависимостей показателя преломления и коэффициента экстинкции композитной среды, состоящей из полистирола и наночастиц золота эллипсоидальной формы. Установлено, что для частиц эллипсоидальной формы существенную роль играет ориентация частиц в композитной среде. Показано, что амплитуда пика коэффициента экстинкции зависит от формы частиц, введённых в диэлектрическую матрицу. Исследование спектральных характеристик коэффициента пропускания показало наличие плазмонного резонансного поглощения, величина которого зависела от формы и ориентации частиц в композитной среде. Наблюдался спектральный сдвиг пика плазмонного резонанса с 518 до 640 нм при изменении формы наночастиц. Практическая значимость. Результаты исследований позволяют прогнозировать оптические свойства композитных сред, содержащих наночастицы различной формы, что важно для выбора материалов с заданными свойствами в соответствии с их предназначением.

Ключевые слова:

композитные среды, металлические наночастицы, спектральные характеристики, плазмонный резонанс, модель Максвелла Гарнетта, показатель преломления, коэффициент экстинкции

Коды OCIS: 160.4236, 160.4670, 160.4760, 310.3840

Список источников:

1. Климов В.В. Наноплазмоника. М.: Физматлит, 2009. 480 с.

Klimov V.V. Nanoplasmonics [in Russian]. Moscow: Fizmatlit, 2009. 480 p.

2. Дыкман Л.А., Хлебцов Н.Г. Биомедицинское применение многофункциональных золотых нанокомпозитов // Успехи биологической химии. 2016. Т. 56. С. 411–450.

Dykman L.A., Khlebtsov N.G. Biomedical application of multifunctional gold nanocomposites [in Russian] // Advances in Biological Chemistry. 2016. V. 56. P. 411–450.

3. Ремпель А.А., Валеева А.А. Наноструктурированный диоксид титана для медицинской химии // Известия академии наук. Серия химическая. 2019. № 12. С. 2163–2171.

Rempel A.A., Valeeva A.A. Nanostructured Titanium Dioxide for medicinal chemistry // Russian Chemical Bulletin. 2019. V. 68. № 12. P. 2163–2171. https://doi.org/10.1007/s11172-019-2685-y

4. Зайнуллина В.М., Жуков В.П. Электронная структура и оптические свойства анатаза, легированного висмутом и углеродом // Физика твердого тела. 2013. Т. 55. № 3. С. 534–541.

Zainullina V.M., Zhukov V.P. Electronic structure and optical properties of Anatase doped with Bismuth and Carbon // Physics of the Solid State. 2013. V. 55. № 3. P. 589–597. https://doi.org/10.1134/S1063783413030347

5. Daruich D. Souza C., Nogueira B.R., Rostelato M.E. Review of the methodologies used in the synthesis gold nanoparticles by chemical reduction // Journal of Alloys and Compounds. 2019. V. 798. P. 714–740. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.05.153

6. Hammami I., Alabdallah N.M., Amjad Al Jomaa, Madiha Kamoun. Gold nanoparticles: Synthesis properties and applications // Journal of King Saud University — Science. 2021. V. 33. № 7. P. 101560. https://doi.org/10.1016/j.jksus.2021.101560

7. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами: Пер. с англ. М.: Мир, 1986. 664 с.

Bohren C.F., Huffman D.R. Absorption and scattering of light by small particles. New York: John Wiley & Sons, 1983. 530 p.

8. Kreibig U., Vollmer M. Optical properties of metal clusters. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 1995. 529 p.

9. Оптика наноструктур / Под ред. А.В. Федорова. СПб.: Недра, 2005. 326 с.

Optics of nanostructures [in Russian] / Ed. Fedorov A.V. St. Petersburg: Nedra Publ., 2005. 326 p.

10. Ibrahim K., Khalid S., Idrees K. Nanoparticles: Properties, applications and toxicities // Arabian Journal of Chemistry. 2019. V. 12. P. 908–931. https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2017.05.011

11. Хлебцов Н.Г. Оптика и биофотоника наночастиц с плазмонным резонансом // Квантовая электроника. 2008. Т. 38. № 6. С. 504–529.

Khlebtsov N.G. Optics and biophotonics of nanoparticles with a plasmon resonance // Quantum Electronics. 2008. V. 38. № 6. P. 504–529. https://doi.org/10.1070/QE2008v038n06ABEH013829

12. Dasgupta N., Ranjan S. Nanotechnology in food sector // An introduction to food grade nanoemulsions / Environmental Chemistry for a Sustainable World / Singapore: Springer, 2018. P. 1–18. https://doi.org/10.1007/978-981-10-6986-4_1

13. Wiley B.J., Im S.H., Li Zhi-Yuan et al. Maneuvering the surface plasmon resonance of silver nanostructures through shape-controlled synthesis // J. Phys. Chem. B. 2006. V. 110. № 32. P. 15666–15675. https://doi.org/10.1021/jp0608628

14. Indhu A.R., Keerthana L., Dharmalingam G. Plasmonic nanotechnology for photothermal applications — an evaluation // Beilstein J Nanotechnol. 2023. V. 14. P. 380–419. https://doi.org/10.3762/bjnano.14.33

15. Pearce A.K., Wilks T.R., Arno M.C. et al. Synthesis and applications of anisotropic nanoparticles with precisely defined dimensions / Pearce A.K., Wilks T.R., Arno M.C., O’Reilly R.K. // Nature Reviews Chemistry. 2021. V. 45. № 5. P. 21. https://doi.org/10.1038/s41570-020-00232-7

16. Sani A., Cao C., Cui D. Toxicity of gold nanoparticles (AuNPs): A review // Biochemistry and Biophysics Reports. 2021. V. 26. P. 100991. https://doi.org/10.1016/j.bbrep.2021.100991

17. Hussein G., Al Barazanchi A., Mohammed F.S. Numerical investigation of the plasmonic performance of Ag and Au nanorods // AIP Conference Proceedings. 2020. V. 2290. P. 050057. https://doi.org/10.1063/5.0028990

18. Sharma P.K., Dorlikar S., Rawat P. et al. Nanotechnology and its application: a review // Nanotechnology in Cancer Management. Amsterdam, Oxford, Cambridge: Elsevier, 2021. P. 1–33. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-818154-6.00010-X

19. Головань Л.А., Тимошенко В.Ю., Кашкаров П.К. Оптические свойства нанокомпозитов на основе пористых систем // Успехи физических наук. 2007. Т. 177. № 6. С. 619–638.

Golovan L.A., Timoshenko V.Yu., Kashkarov P.K. Optical properties of porous-system-based nanocomposites // Physics–Uspekhi. 2007. V. 50. № 6. P. 595–612. https://doi.org/10.1070/PU2007v050n06ABEH006257

20. Maxwell-Garnett J.C. Colors in metal glasses and in metallic films // Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. 1904. V. 203. P. 385–420.

21. Sipe J.E., Boyd R.W. Nanocomposite materials for nonlinear optics based on local field effects / Sipe J.E., Boyd R.W. // Topics Appl. Phys. 2002. V. 82. P. 1–19. https://doi.org/10.1007/3-540-44948-5_1

22. Bruggeman D.A.G. Berechnung verschiedener physikalischer Konstanten von heterogenen Substanzen. I. Dielektrizitätskonstanten und Leitfähigkeiten der Mischkörper aus isotropen Substanzen // Annalen der physik. 1935. V. 416. № 7. P. 636–664.

23. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. Перевод с англ. Бреуса С.Н., Головашкина А.И., Шубина А.А. / Под ред. Мотулевич Г.П. М.: Наука, 1973. 720 с.

Born M., Wolf E. Principles of optics. London, N.Y., Paris: Pergamon Press Publ., 1970. 808 p.

24. Grand J., Adam P.-M., Grimault A.S., Vial A., Lamy de la Chapelle M., Bi-jeon J.-L., Kostcheev S., Royer P. Optical extinction spectroscopy of oblate, prolate and ellipsoid shaped gold nanoparticles: experiments and theory // Plasmonics. 2006. V. 1. № 2–4. P. 135–140. https://doi.org/10.1007/s11468-006-9014-7

25. Grand J., Lamy de la Chapelle M., Bijeon J.-L., Adam P.-M., Vial A., Royer P. Role of localized surface plasmons in surface-enhanced Raman scattering of shape-controlled metallic particles in regular arrays // Physical Review B. 2005. V. 72. № 3. P. 033407. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.72.033407

26. Gotschy W., Vonmetz K., Leitner A., Aussenegg F.R. Thin films by regular patterns of metal nanoparticles: Tailoring the optical properties by nanodesign // Appl. Phys. B. 1996. V. 63. P. 381–384. https://doi.org/10.1007/BF01828742

27. Карпов С.В. Оптические эффекты в металлических наноколлоидах // Фотоника. 2012. № 2 (32). С. 4–51.

Karpov S. Optical effects of metallic nanocolloidal materials [in Russian] // Photonics Russia. 2012. № 2 (32). P. 4–51.

28. Chepkasov V.S., Baidyshev V.S., Golubnichiy A.A. et al. / Chepkasov I.V., Baidyshev V.S., Golubnichiy A.A., Zamulin I.S., Kvashnin A.G., Kozlov S.M. / Cu-Au nanoparticles produced by the aggregation of gas-phase metal atoms for co oxidation // Aggregate. 2022. V. 3. № 6. P. e273. https://doi.org/10.1002/agt2.273