Написати автору Діелектрична функція і переріз поглинання метал-графенових наноциліндрів скінченої довжини
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp13.04.467
Анотація
В роботі досліджено поведінку діагональних компонентів діелектричного тензора і перерізу поглинання у різних частотних діапазонах для композитних циліндричних наноструктур «металева серцевина – графенова оболонка». З метою отримання розрахункових формул використовуються співвідношення для поздовжних та поперечних компонентів діелектричних тензорів металевого осердя і графенової оболонки, що визначаються моделями Друде і Кубо, відповідно. Розгляд проводиться у рамках підходу «еквівалентного» витягнутого сфероїда, згідно з яким визначальним розмірним параметром є ефективне аспектне відношення, що обчислюється з умови рівності відповідних осьових моментів інерції двошарового циліндра та «еквівалентного» витягнутого сфероїда. Чисельні результати отримані для наноциліндрів із сердечниками різних металів, різного радіуса та з різним числом графенових шарів. Проаналізовано зміни амплітуд і положень екстремумів дійсної та уявної частин поперечної компоненти діелектричного тензора зі збільшенням радіуса металевого осердя і товщини графенової оболонки. Показано, що на властивості резонансів поляризовності і перерізу поглинання зміна радіуса осердя впливає більш істотно, ніж зміна кількості графенових шарів. Встановлено причини наявності двох максимумів перерізів поглинання метал-графенових циліндрів, що відрізняються як амплітудою, так і шириною, і розташовуються в інфрачервоній, фіолетовій та ближній ультрафіолетовій областях спектра, а також їхній зв’язок із поверхневими плазмонними резонансами у металевому осерді і терагерцевими плазмонами. Визначено фактори, що впливають на амплітуду та зміщення максимумів перерізу поглинання. З’ясовано причини різної ширини максимумів, що знаходяться у різних спектральних інтервалах.
Ключові слова
Повний текст:
Посилання
Dmitruk N.L., Goncharenko A.V., Venger E.F. Optics of small particles and composite media. (Kyiv: Naukova Dumka, 2009).
Schasfoort R.B.M. Handbook of Surface Plasmon Resonance: Edition 2. (Royal Society of Chemistry, 2017). https://doi.org/10.1039/9781788010283
Korotun A.V., Koval' A.O., Kryuchin A.A., Rubish V.M., Petrov V.V., Titov I.M. Nanophoton technologies. Modern state and prospects. (Uzhgorod: PE Sabov A.M., 2019). [in Ukrainian].
Sau T.K., Rogach A.L., Jäckel F., Klar T.A., Feldmann J. Properties and applications of colloidal nonspherical noble metal nanoparticles. Adv. Mater. 2010. 22(16): 1805. https://doi.org/10.1002/adma.200902557
Grigorchuk N.I. Plasmon resonant light scattering on spheroidal metallic nanoparticle embedded in a dielectric matrix. Europhys. Lett. 2012. 97(4): 45001. https://doi.org/10.1209/0295-5075/97/45001
Karandas Ya., Korotun A. An optical radiation efficiency of the composite nanocylinders. In: International Conference on Electronics and Information Technologies (ELIT 2021). Proc. 12th Int. Conf. (May, 2021, Lviv, Ukraine). P. 222. https://doi.org/10.1109/ELIT53502.2021.9501091
Korotun A.V., Pavlyshche N.I. Cross Sections for Absorption and Scattering of Electromagnetic Radiation by Ensembles of Metal Nanoparticles of Different Shapes. Phys. Met. Metall. 2021. 122(10): 941. https://doi.org/10.1134/S0031918X21100057
Huang X.H., Neretina S., El-Sayed M.A. Gold Nanorods: From Synthesis and Properties to Biological and Biomedical Applications. Adv. Mater. 2009. 21(48): 4880. https://doi.org/10.1002/adma.200802789
Pérez-Juste J., Pastoriza-Santos I., Liz-Marzán L.M., Mulvaney P. Gold nanorods: Synthesis, characterization and applications. Coord. Chem. Rev. 2005. 249(17-18): 1870. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2005.01.030
Gole A., Murphy C.J. Seed-Mediated Synthesis of Gold Nanorods: Role of the Size and Nature of the Seed. Chem. Mater. 2004. 16(19): 3633. https://doi.org/10.1021/cm0492336
Nikoobakht B., El-Sayed M.A. Preparation and Growth Mechanism of Gold Nanorods (NRs) Using Seed-Mediated Growth Method. Chem. Mater. 2003. 15(10): 1957. https://doi.org/10.1021/cm020732l
Busbee B.D., Obare S.O., Murphy C.J. An Improved Synthesis of High-Aspect-Ratio Gold Nanorods. Adv. Mater. 2003. 15(5): 414. https://doi.org/10.1002/adma.200390095
Fu G., Liu W., Feng S., Yue X. Prussian blue nanoparticles operate as a new generation of photothermal ablation agents for cancer therapy. Chem. Commun. 2012. 48(94): 11567. https://doi.org/10.1039/c2cc36456e
Wei H., Pan D., Zhang S., Li Z., Li Q., Liu N., Wang W., Xu H. Plasmon Waveguiding in Nanowires. Chem. Rev. 2018. 118(6): 2882. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.7b00441
Khan N.U., Lin J., Younas M.R., Liu X., Shen L. Synthesis of gold nanorods and their performance in the field of cancer cell imaging and photothermal therapy. Cancer Nanotechnol. 2021. 12(1): 20. https://doi.org/10.1186/s12645-021-00092-w
Zhang M., Zhang X., Zhao K., Dong Y., Yang W., Liu J., Li D. Assembly of gold nanorods with L-cysteine reduced graphene oxide for highly efficient NIR-triggered photothermal therapy. Spectrochim. Acta A: Molec. Biomol. Spectrosc. 2022. 266: 120458. https://doi.org/10.1016/j.saa.2021.120458
Ding S., Ma L., Feng J., Chen Y., Yang D., Wang Q. Surface-roughness-adjustable Au nanorods with strong plasmon absorption and abundant hotspots for improved SERS and photothermal performances. Nano Research. 2022. 15(3): 2715. https://doi.org/10.1007/s12274-021-3740-1
Sun J., Yu X., Li Z., Zhao J., Zhu P., Dong X., Yu Z., Zhao Z., Shi D., Wang J., Dai H. Ultrasonic Modification of Ag Nanowires and Their Applications in Flexible Transparent Film Heaters and SERS Detectors. Materials. 2019. 12(6): 893. https://doi.org/10.3390/ma12060893
Zhang Y., Xu D., Li W., Yu J., Chen Y. Effect of Size, shape, and surface modification on cytotoxicity of gold nanoparticles to human HEp-2 and canine MDCK cells. J. Nanomater. 2012. 2012(7): 7. https://doi.org/10.1155/2012/375496
Rayavarapu R.G., Petersen W., Hartsuiker L., Chin P., Janssen H., Van Leeuwen F.W.B., Otto C., Manohar S., Van Leeuwen T.G. In vitro toxicity studies of polymer-coated gold nanorods. Nanotechnology. 2010. 21(14): 145101. https://doi.org/10.1088/0957-4484/21/14/145101
Feng L., Liu Z. Graphene in biomedicine: opportunities and challenges. Nanomedicine. 2011. 6(2): 317. https://doi.org/10.2217/nnm.10.158
Fares H., Almokhtar M., Almarashi J.Q.M., Rashad M., Moustafa S. Tunable narrow-linewidth surface plasmon resonances of graphene-wrapped dielectric nanoparticles in the visible and near-infrared. Physica E. 2022. 142: 115300. https://doi.org/10.1016/j.physe.2022.115300
Markovic Z.M., Harhaji-Trajkovic L.M., Todorovic-Markovic B.M., Kepić D.P., Arsikin K.M., Jovanović S.P., Pantovic A.C., Dramićanin M.D., Trajkovic V.S. In vitro comparison of the photothermal anticancer activity of graphene nanoparticles and carbon nanotubes. Biomaterials. 2011. 32(4): 1121. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2010.10.030
Bian X., Song Z.L., Qian Y., Gao W., Cheng Z.Q., Chen L., Liang H., Ding D., Nie X.K., Chen Z., Tan W. Fabrication of graphene-isolated-Au-nanocrystal nanostructures for multimodal cell imaging and photothermal-enhanced chemotherapy. Sci. Rep. 2014. 4: 6093. https://doi.org/10.1038/srep06093
Farokhnezhad M., Esmaeilzadeh M. Graphene coated gold nanoparticles: an emerging class of nanoagents for photothermal therapy applications. Phys. Chem. Chem. Phys. 2019. 21(33): 18352. https://doi.org/10.1039/C9CP03126J
Farokhnezhad M., Esmaeilzadeh M., Nourian M., Jalaeikhoo H., Rajaeinejad M., Iravani S., Majidzadeh-A K. Silica-gold nanoshell@graphene: A novel class of plasmonic nanoagents for photothermal cancer therapy. J. Phys. D: Appl. Phys. 2020. 53(40): 405401. https://doi.org/10.1088/1361-6463/ab95bf
Grigorchuk N.I., Tomchuk P.M. Optical and transport properties of spheroidal metal nanoparticles with account for the surface effect. Phys. Rev. B. 2011. 84(8): 085448. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.84.085448
Grigorchuk N.I. Radiative damping of surface plasmon resonance in spheroidal metallic nanoparticle embedded in a dielectric medium. J. Opt. Soc. Am. B. 2012. 29(12): 3404. https://doi.org/10.1364/JOSAB.29.003404
Tomchuk P.M. Dependence of light scattering cross-section by metal nanoparticles on their shape. Ukr. Fiz. Zh. 2012. 57: 553. [in Ukrainian].
Grigorchuk N.I. Broadening of surface plasmon resonance line in spheroidal metallic nanoparticles. Journal of Physical Studies. 2016. 20(1-2): 1701. https://doi.org/10.30970/jps.20.1701
Grygorchuk N.I. Behaviour of a line of the surface plasmon resonance in metal nanoparticles. Metallofizika i Noveishie Tekhnologii. 2016. 38(6): 717. https://doi.org/10.15407/mfint.38.06.0717
Korotun A.V., Koval A.O., Reva V.I. Optical absorption of composite with bilayer nanoparticles. Journal of Physical Studies. 2019. 23(2): 2603. https://doi.org/10.30970/jps.23.2603
Korotun A.V., Koval' A.A. Optical Properties of Spherical Metal Nanoparticles Coated with an Oxide Layer. Opt. Spectrosc. 2019. 127(6): 1161. https://doi.org/10.1134/S0030400X19120117
Korotun A.V., Koval' A.A., Reva V.I., Titov I.N. Optical Absorption of a Composite Based on Bimetallic Nanoparticles. Classical Approach. Phys. Met. Metall. 2019. 120(11): 1040. https://doi.org/10.1134/S0031918X19090059
Korotun A.V., Karandas Ya.V., Reva V.I., Titov I.M. Polarizability of two-layer metal-oxide nanowires. Ukr. J. Phys. 2021. 66(10): 908. https://doi.org/10.15407/ujpe66.10.908
Korotun A.V., Karandas Ya.V. Surface Plasmons in a Nanotube with a Finite-Thickness Wall. Phys. Met. Metall. 2022. 123(1): 7. https://doi.org/10.1134/S0031918X22010070
Korotun A.V., Pavlishche N.I. Anisotropy of the Optical Properties of Metal Nanodisks. Opt. Spectrosc. 2022. 130(4): 269. https://doi.org/10.1134/S0030400X22040075
Liu M., Guyot-Sionnest P. Synthesis and Optical Characterization of Au/Ag Core/Shell Nanorods. J. Phys. Chem. B. 2004. 108(19): 5882. https://doi.org/10.1021/jp037644o
Constantin D. Why the aspect ratio? Shape equivalence for the extinction spectra of gold nanoparticles. Eur. Phys. J. E. 2015. 38: 116. https://doi.org/10.1140/epje/i2015-15116-2
Farokhnezhad M., Esmaeilzadeh M. Optical and Photothermal Properties of Graphene Coated Au-Ag Hollow Nanoshells: A Modeling for Efficient Photothermal Therapy. J. Phys. Chem. C. 2019. 123(47): 28907. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b08648
Gans R. Über die Form ultramikroskopischer Goldteilchen. Ann. Phys. 1912. 342(5): 881. https://doi.org/10.1002/andp.19123420503
Link S., El-Sayed M.A. Shape and size dependence of radiative, non-radiative and photothermal properties of gold nanocrystals. Int. Rev. Phys. Chem. 2000. 19(3): 409. https://doi.org/10.1080/01442350050034180
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp13.04.467
Copyright (©) 2022 Ya. V. Karandas, A. V. Korotun
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.