Применение современного метода сфероидальной T-матрицы для вычисления оптических свойств серебряных наносфероидов с диэлектрическим покрытием

Фарафонов В.Г., Ильин В.Б., Беспятый Г.Ю., Арефьев А.В.

Ссылка для цитирования:

Фарафонов В.Г., Ильин В.Б., Беспятый Г.Ю., Арефьев А.В. Применение современного метода сфероидальной T-матрицы для вычисления оптических свойств серебряных наносфероидов с диэлектрическим покрытием // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 4. С. 38–45. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-04-38-45

Farafonov V.G., Il′in V.B., Bespyatyy G.Y., Arefyev A.V. Application of the modern spheroidal T-matrix method for calculating the optical properties of silver nanospheroids with a dielectric coating [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 4. P. 38–45. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-04-38-45

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Оптические свойства металлических наночастиц с покрытием. Метод сфероидальной T-матрицы. Цель работы. Исследование применимости метода сфероидальной T-матрицы к наночастицам из серебра с диэлектрическим покрытием и иллюстрация возможностей данного метода. Метод. Оптические свойства наносфероидов с ядром из серебра и несофокусной диэлектрической оболочкой рассчитывались недавно разработанным авторами точным методом T-матриц, использующим разложение полей по сфероидальным базисам, а также найденные авторами ранее соотношения между подобными разложениями полей по разным базисам. Основные результаты. Проведено сравнение результатов применения метода сфероидальной T-матрицы с данными, полученными в приближении Релея. Показана существенная зависимость сечений поглощения оптического излучения наночастицами от формы серебряного ядра, несофокусного оболочке, и размеров подобных частиц. Практическая значимость. Отмечено, что предлагаемый метод позволяет не только рассматривать сильно вытянутые наносфероиды с отношением полуосей a/b >> 10, но и легко находить характеристики хаотически ориентированных частиц, а также использовать возможную многослойность для более адекватного представления покрытия наночастиц. Сделан вывод, что подходы, использованные в работе, позволят распространить приближение Релея и улучшенное электростатическое приближение (Improved Electrostatic Approximation) на наносфероиды с несофокусными слоями.

Ключевые слова:

оптические свойства наночастиц, метод T-матриц, слоистые сфероиды, приближение Релея

Благодарность:

авторы выражают благодарность Туричиной Д.Г. за возможность воспользоваться программой SoMSP. Авторы также благодарны рецензенту и проф. Т.А. Вартаняну за сделанные замечания

Коды OCIS: 050.005, 260.026

Список источников:

1. Prasher P., Sharma M. Silver nanoparticles: synthesis, functionalization and applications. Singapore: Bentham Science Publishers, 2022. 132 p. https://doi.org/10.2174/97898150505301220101
2. Fahmy H.M., Mosleh A.M., Elghany A.A., ShamsEldin E. et al. Coated silver nanoparticles: synthesis, cytotoxicity, and optical properties // Roy. Soc. Chem. Advances. 2019. V. 27. № 9. P. 20118–20136. https://doi.org/10.1039/c9ra02907a
3. Zhuo Х., Henriksen-Lacey M., de Aberasturi D.J. et al. Shielded silver nanorods for bioapplications // Chemistry of Materials. 2020. V. 32. № 13. P. 5879–5889. https://doi.org/ 10.1021/acs.chemmater.0c01995
4. Dos Santos P.S., Mendes J.P., Pastoriza-Santos I. et al. Gold-coated silver nanorods on side-polished singlemode optical fibers for remote sensing at optical telecommunication wavelengths // Sensors and Actuators B. 2025. V. 425. P. 136936. https://doi.org/10.1016/j.snb.2024.136936
5. Li J.Z., Li X.N., Chen J. et al. Extinction behavior and near-field enhancement of 3D hybrid nanostructures consisting of Ag-Coated SiO2 nanorods // Plasmonics. 2025. V. 20. P. 211–220. https://doi.org/10.1007/s11468-024-02267-8
6. Климов В.В. Оптические нанорезонаторы // Успехи физических наук. 2023. Т. 193. № 3. С. 279–304. https://doi.org/10.3367/UFNr.2022.02.039153
Klimov V.V. Optical nanoresonators // Physics-Uspekhi. 2023. V. 33. № 3. P. 263–287. https://doi.org/10.3367/UFNe.2022.02.039153
7. Khlebtsov N.G., Zarkov S.V. Analytical modeling of coated plasmonic particles // Journal of Physical Chemistry C. 2024. V. 128. № 36. P. 15029–15040. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.4c03126
8. Kahnert F.M. Numerical methods in electromagnetic scattering theory // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2003. V. 79–80. P. 775–824. https://doi.org/10.1016/S0022-4073(02)00321-7
9. Flatau P.J., Draine B.T. Fast near-field calculations in the discrete dipole approximation for regular rectilinear grids // Optics Express. 2012. V. 20. P. 1247–1252. https://doi.org/10.1364/OE.20.001247
10. Электронный ресурс URL: https://github.com/adda-team/adda/ (Yurkin MA. ADDA — light scattering simulator based on the discrete dipole approximation)

URL: https://github.com/adda-team/adda/ (Yurkin MA. ADDA — light scattering simulator based on the discrete dipole approximation)
11. Farafonov V.G., Il’in V.B. Single light scattering: computational methods // Light scattering reviews. 2006. V. 1. P. 125–177. http://doi.org/10.1007/3-540-37672-0_4
12. Farafonov V.G., Il’in V.B., Ustimov V.I., Volkov E.V. Analysis of Waterman’s method in the case of layered scatterers // Advances in Mathematical Physics. 2017. V. 2017. P. 7862462. https://doi.org/10.1155/2017/7862462
13. Onaka T. Light scattering by spheroidal grains // Annals of Tokyo Astronomical Observatory. 1980. V. 18. P. 1–54.
14. Han Y., Zhang H., Sun X. Scattering of shaped beam by an arbitrarily oriented spheroid having layers with non-confocal boundaries // Applied Physics. 2006. V. 84. P. 485–492. https://doi.org/10.1007/s00340-006-2298-7
15. Фарафонов В.Г., Ильин В.Б., Лазневой С.И., Туричина Д.Г. Расчет оптических свойств двухслойных сфероидов с несофокусными границами оболочки // Оптика и спектроскопия. 2024. Т. 132. № 6. C. 620–636. https://doi.org/10.61011/OS.2024.06.58639.6665-24
Farafonov V.G., Il’in V.B., Laznevoy S.I., Turichina D.G. Calculation of the optical properties of twolayer spheroids with non-confocal shell boundaries // Optics and Spectroscopy. 2024. V. 132. № 6. P. 620–636. https://doi.org/10.61011/OS.2024.06.58639.6665-24
16. Il’in V.B., Turichina D.G., Farafonov V.G., Laznevoi S.I., Gontcharov G.A., Marchuk A.A., Mosenkov A.V., Poliakov D.M., Savchenko S.S., Smirnov A.A., Prokopjeva M.S. A new practical approach to light scattering by spheroids with the use of spheroidal and spherical function bases // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2023. V. 311. P. 108759. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2023.108759
17. Электронный ресурс URL: https://github.com/Kifye/SoMSP (Turichina D.G. A codes for light scattering on a multilayered spheroidal particle)

URL: https://github.com/Kifye/SoMSP (Turichina D.G. A codes for light scattering on a multilayered spheroidal particle)
18. Электронный ресурс URL: https://github.com/MathieuandSpheroidalWaveFunctions (van Buren A.L. Mathieu and spheroidal wave functions)
URL: https://github.com/MathieuandSpheroidalWaveFunctions (van Buren A.L. Mathieu and spheroidal wave functions)
19. Электронный ресурс URL: https://refractiveindex.info/ (Refractive index database)
URL: https://refractiveindex.info/ (Refractive index database)
20. Bohren С., Huffman D. Absorption and scattering of light by small particles. New York: John Wiley & Sons Inc, 1983. 544 p.
21. Farafonov V.G., Ustimov V.I., Il’in V.B. Relations between spheroidal harmonics and the Rayleigh approximation for multilayered nonconfocal spheroids // Journal of Mathematical Sciences. 2021. V. 252. P. 702–730. https://doi.org/10.1007/s10958-021-05192-x
22. Farafonov V.G., Voshchinnikov N.V., Somsikov V.V. Light scattering by a сore-mantle spheroidal particle // Applied Optics. 1996. V. 35. P. 5412–5426. https://doi.org/10.1364/AO.35.005412