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.

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:

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