Написати автору Ван-дер-Ваальсівська взаємодія сферичних металевих наночастинок із взаємно індукoваною поляризацією
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp16.01.083
Анотація
В роботі досліджено вплив збуджених на поверхні сферичних металевих наночастинок мультипольних плазмонних резонансів на Ван-дер-Ваальсівську взаємодію між наночастинками. Отримано співвідношення для розмірних залежностей вільної енергії взаємодії, параметра Гамакера та сили Ван-дер-Ваальса. Показано, що невласний інтеграл, що входить в отримані вирази, є схожим, а сума легко обчислюється внаслідок швидкої збіжності ряду зі збільшенням мультипольності. Розрахунки проводилися для випадку взаємодії сферичних наночастинок різного радіуса та різних металів, що знаходяться у повітрі, на поверхні яких збуджено локалізовані плазмонні резонанси. Встановлено, що вільна енергія та сила Ван-дер-Ваальса зменшуються, а параметр Гамакера збільшується зі збільшенням відстані між наночастинками. У свою чергу, вільна енергія практично не змінюється при зміні матеріалу наночастинок і різко зростає зі збільшенням їхнього радіуса. На відміну від вільної енергії, параметр Гамакера зменшується зі збільшенням радіуса наночастинок. Зменшення параметра Гамакера за однакової відстані між частинками має місце при зміні їхнього складу (використання металів із плазмовою частотою, що зменшується). Визначено відстань між наночастинками, за якої різке зменшення сили Ван-дер-Ваальса змінюється на плавне. Проведено порівняння результатів розрахунків із випадком Ван-дер-Ваальсівської взаємодії сферичних наночастинок, викликаної електромагнітними флуктуаціями з неперервним спектром. Показано, що якісний характер розмірних залежностей вільної енергії та параметра Гамакера зберігається: вільна енергія зменшується, а параметр Гамакера збільшується зі зростанням відстані між наночастинками, що взаємодіють. При цьому у випадку частинок із збудженими на їхніх поверхнях локалізованими плазмонами вільна енергія більша, а параметр Гамакера менший, ніж у випадку електромагнітних флуктуацій із неперервним спектром.
Ключові слова
Посилання
1. Taylor R.W., Lee T.-C., Scherman O.A., Esteban R., Aizpurua J., Huang F.M., Baumberg J.J., Mahajan S. Precise subnanometer plasmonic junctions for SERS within gold nanoparticle assemblies using cucurbit[n]uril "glue". ACS Nano. 2012. 5(5): 3878. https://doi.org/10.1021/nn200250v
2. Sibug-Torres S.M., Grys D.-B., Kang G., Niihori M., Wyatt E., Spiesshofer N., Ruane A., de Nijs B., Baumberg J.J. In situ electrochemical regeneration of nanogap hotspots for continuously reusable ultrathin SERS sensors. Nat. Commun. 2024. 15(1): 2022. https://doi.org/10.1038/s41467-024-46097-y
3. Curto A.G., Volpe G., Taminiau T.H., Kreuzer M.P., Quidant R., Hulst van N.F. Unidirectional emission of a quantum dot coupled to a nanoantenna. Science. 2010. 329(5994): 930. https://doi.org/10.1126/science.1191922
4. Novotny L., Hulst van N. Antennas for light. Nat. Photonics. 2011. 5: 83. https://doi.org/10.1038/nphoton.2010.237
5. Shoup D.N., Fan S., Zapata-Herrera M., Schorr H.C., Aizpurua J., Schultz Z.D. Comparison of Gap-Enhanced Raman Tags and Nanoparticle Aggregates with Polarization Dependent Super-Resolution Spectral SERS Imaging. Anal. Chem. 2024. 96(28): 11422. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.4c01564
6. Atwater H.A., Polman A. Plasmonics for improved photovoltaic devices. Nat. Mater.2010. 9: 205. https://doi.org/10.1038/nmat2629
7. Prodan E., Radloff C., Halas N.J., Nordlander P. A hybridization model for the plasmon response of complex nanostructures. Science. 2003. 302(5644): 419. https://doi.org/10.1126/science.1089171
8. Nordlander P., Oubre C., Prodan E., Li K., Stockman M.I. Plasmon hybridization in nanoparticle dimers. Nano Lett. 2004. 4(5): 899. https://doi.org/10.1021/nl049681c
9. Aubry A., Lei D.Y., Maier S.A., Pendry J.B. Interaction between plasmonic nanoparticles revisited with transformation optics. Phys. Rev. 2010. 105(23): 233901. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.105.233901
10. Savage K.J., Hawkeye M.M., Esteban R., Borisov A.G., Aizpurua J., Baumberg J.J. Revealing the quantum regime in tunnelling plasmonics. Nature. 2012. 491: 574. https://doi.org/10.1038/nature11653
11. Esteban R., Borisov A.G., Nordlander P., Aizpurua J. Bridging quantum and classical plasmonics with a quantum-corrected model. Nat. Commun. 2012. 3(1-9): 825. https://doi.org/10.1038/ncomms1806
12. van Beijnum F., Retif C., Smiet C.B., Liu H., Lalanne P., Exter van M.P. Quasi-cylindrical wave contribution in experiments on extraordinary optical transmission. Nature. 2012. 492: 411. https://doi.org/10.1038/nature11669
13. Scholl J.A., Koh A.L., Dionne J.A. Quantum plasmon resonances of individual metallic nanoparticles. Nature. 2012. 483: 421. https://doi.org/10.1038/nature10904
14. Movsisyan A., Parsamyan H. Gap-enhanced optical bistability in plasmonic core-nonlinear shell dimers. Nanoscale. 2024. 16(4): 2030. https://doi.org/10.1039/D3NR04237E
15. Jiang N., Zhuo X., Wang J. Active plasmonics: principles, structures, and applications. Chem. Rev. 2017. 118(6): 3054. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.7b00252
16. Li Z., Yin Y. Stimuli-responsive optical nanomaterials. Adv. Mater. 2019. 31(15): 1807061. https://doi.org/10.1002/adma.201807061
17. Jain P.K., El-Sayed M.A. Plasmonic coupling in noble metal nanostructures. Chem. Phys. Lett. 2010. 487(4-6): 153. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2010.01.062
18. Li Z., Yin S., Cheng L., Yang K., Li Y., Liu Z. Magnetic targeting enhanced theranostic strategy based on multimodal imaging for selective ablation of cancer. Adv. Funct. Mater. 2014. 24(16): 2312. https://doi.org/10.1002/adfm.201303345
19. Han X., Liu Y., Yin Y. Colorimetric stress memory sensor based on disassembly of gold nanoparticle chains. Nano Lett. 2014. 14(5): 2466. https://doi.org/10.1021/nl500144k
20. Guerrini L., Graham D. Molecularly-mediated assemblies of plasmonic nanoparticles for surface-enhanced Raman spectroscopy applications. Chem. Soc. Rev. 2012. 41(21): 7085. https://doi.org/10.1039/c2cs35118h
21. Brongersma M.L., Halas N.J., Nordlander P. Plasmon-induced hot carrier science and technology. Nat. Nanotechnol. 2015. 10: 25. https://doi.org/10.1038/nnano.2014.311
22. Smirnova N.A., Korotun A.V., Kulykovskyi R.A. Plasmon-induced acceleration of polymerization reactions by spherical bimetallic nanoparticles. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2024. 15(2): 171. https://doi.org/10.15407/hftp15.02.171
23. Teperik T.V., Nordlander P., Aizpurua J., Borisov A.G. Robust subnanometric plasmon ruler by rescaling of the nonlocal optical response. Phys. Rev. Lett. 2013. 110: 263901. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.263901
24. Liu N., Hentschel M., Weiss T., Alivisatos A.P., Giessen H. Three-dimensional plasmon rulers. Science. 2011. 332(6036): 1407. https://doi.org/10.1126/science.1199958
25. Wong Z.J., Wang Y., O'Brien K., Rho J., Yin X., Zhang S., Fang N., Yen T.-J., Zhang X. Optical and acoustic metamaterials: superlens, negative refractive index and invisibility cloak. J. Opt. 2017. 19: 084007. https://doi.org/10.1088/2040-8986/aa7a1f
26. Huang P., Lin J., Li W., Rong P., Wang Z., Wang S., Wang X., Sun X., Aronova M., Niu G., Leapman R.D., Nie Z., Chen X. Biodegradable gold nanovesicles with an ultrastrong plasmonic coupling effect for photoacoustic imaging and photothermal therapy. Angew. Chem. Int. Ed. 2013. 52(52): 13958. https://doi.org/10.1002/anie.201308986
27. Wang H.N., Vo-Dinh T. Plasmonic coupling interference (PCI) nanoprobes for nucleic acid detection. Small. 2011. 7(21): 3067. https://doi.org/10.1002/smll.201101380
28. Smirnova N.A., Korotun A.V., Titov I.M. Size Dependences of Hamaker's Parameter and Free Energy of Van der Waals Interaction for System of Two Spherical Metal Nanoparticles. Metallophys. Adv. Technol. 2022. 44(5): 587. https://doi.org/10.15407/mfint.44.05.0587
29. Pavlyshche N.I., Korotun A.V., Kurbatsky V.P. Optical absorption of composites with metallic nanosized spheroidal particles. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2023. 14(4): 561. https://doi.org/10.15407/hftp14.04.561
30. Korotun A.V., Moroz H.V., Korolkov R.Yu. Q-factor of plasmonic resonances and the field enhancement in the neighborhood of the spherical metallic nanoparticle. Funct. Mater. 2024. 31(1): 119. https://doi.org/10.15407/fm31.01.119
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp16.01.083
Copyright (©) 2025 N. A. Smirnova, A. V. Korotun, I. M. Titov, E. V. Stegantsev
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.