Влияние диэлектрических свойств среды на оптические свойства заключенных в ней наночастиц золота
Сравнение оптических свойств золотых наночастиц в жидкой (водном растворе) и твёрдой (пористое силикатное стекло и поливинилпирролидон) прозрачных средах. Влияние их форм и диэлектрической постоянной среды на положение и профиль плазмонного резонанса.
Рубрика | Физика и энергетика |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 11.01.2018 |
Размер файла | 349,2 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Международный Исследовательский Центр «Интеллектуальные материалы», Южный федеральный университет
Влияние диэлектрических свойств среды на оптические свойства заключенных в ней наночастиц золота
С.О. Черкасова, А.П. Будник, А.В. Солдатов
Аннотация
В данной работе были получены и охарактеризованы образцы, содержащие наночастицы (НЧ) золота, распределенные в жидкой (водный раствор) и твёрдой (пористое силикатное стекло и поливинилпирролидон) оптически прозрачных средах. Размер и форма НЧ оценены из снимков электронной просвечивающей микроскопии (ПЭМ), а оптические свойства - по УФ-Вид спектрам. Показано влияние формы частиц и диэлектрической постоянной среды на положение и профиль плазмонного резонанса (ПР).
Ключевые слова: золотые наночастицы, коллоидный раствор, полимер, пористое стекло.
Введение
Уникальные оптические свойства НЧ золота определяются эффектом ПР, вызывая большой исследовательский интерес [1-3]. Теоретическое описание ПР для металлических сфер малого радиуса было проведено немецким физиком Густавом Ми [4]. Под действием электрического поля волны света происходит коллективное смещение электронов проводимости, описываемое в терминах поляризуемости металла, б, как [2]:
(1)
где щ ? угловая частота волны света, еm ? диэлектрическая константа непоглощающей среды (Im[еm] = 0), VNP - объем НЧ, е(щ) ? частотно-зависимая комплексная диэлектрическая функция металла, е(щ) = еr(щ) + iеi(щ).
Условие ПР выполняется, когда Re[е(щ)] ? ?2еm [2]. Очевидно, что на положение, форму и ширину пика поглощения ПР золотых НЧ влияют не только их размеры и форма, но и диэлектрические свойства среды, в которой они распределены [5]. Ранее нами было показано [6, 7], что золотые НЧ стабилизированные в оптически прозрачной среде (как жидкой, так и твёрдой) являются удобной моделью для спектральных исследований. УФ-Вид спектры позволяют проанализировать свойства модели через профиль полосы ПР.
В данной работе сравниваются оптические свойства золотых НЧ в жидкой и твёрдой (неорганической и полимерной) оптически прозрачных средах. В качестве жидкой среды был взят водный раствор с еm = 1,7. Твёрдой средой выступали пористое силикатное стекло с еm = 3,9 и водорастворимый полимер поливинилпирролидон (PVP) с еm = 2,3.
1. Эксперимент
Коллоидный раствор НЧ золота AuNPs@H2O (см. Рис. 1a) был получен путем восстановления тетрахлороаурата водорода цитратом натрия (молярное отношение Au:Cit = 1:6) по методу Туркевича [8]. Композит из золотых НЧ в стекле AuNPs@SiO2 (Рис. 1b) был получен комбинацией методов Туркевича и золь-гель синтеза [7]. Композит из золотых НЧ в PVP AuNPs@PVP (Рис. 1c) был получен функционализацией полимером частиц коллоидного раствора (5 мг PVP к 20 мл раствора золотых НЧ) согласно [9].
Рис. 1. - Фотоснимки образцов AuNPs@H2O (a), AuNPs@SiO2 (b), AuNPs@PVP (c)
Оптические спектры регистрировались на спектрофотометре UV-2600 (Shimadzu) с шагом 2 нм в геометрии пропускания в стандартных кварцевых 10 мм кюветах. Для получения снимков просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) использовался микроскоп G2 Spirit BioTWIN (Tecnai) с ускоряющим напряжением 80 кВ.
2. Результаты и обсуждения
На Рис. 2 представлены фотографии ПЭМ образцов и гистограммы распределения по размерам золотых НЧ. В высушенном AuNPs@H2O (Рис. 2a) видны НЧ золота округлой формы со средним диаметром d=17нм. Снимок AuNPs@SiO2 (Рис. 2b) содержит микрочастицы стекла и золотые НЧ со средним d=27нм. На изображении AuNPs@PVP (Рис. 2с) виден микроблок полимера с НЧ золота средним d = 16 нм.
Рис. 2. - ПЭМ снимки образцов AuNPs@H2O (a), AuNPs@SiO2 (b) и AuNPs@PVP (c) с распределением золотых НЧ по размерам
Оптические спектры образцов представлены на Рис. 3a. Расположение максимумов поглощения и форма спектров образцов AuNPs@H2O и AuNPs@PVP близки, соответствуя типичному спектру ПР коллоидных НЧ золота размером ~20 нм [10]. Спектр AuNPs@SiO2 уширен и смещен к красной области на ~15 нм, соответствуя большему среднему размеру НЧ в образце. Как видно из врезки на Рис. 3a, с ростом величин еm и d, положение максимума ПР смещается нелинейно; проходящая кривая описывается квадратичным полиномом (y=525,3?2,95x+1,99x2). На Рис. 3b даны нормализованные спектры поглощения с вычитанием базовой линии. Анализ их формы проведен аппроксимацией гауссианами, результаты представлены в Табл. 1 и показаны на Рис. 3c-e. Форма полосы ПР для AuNPs@H2O и AuNPs@PVP является несимметричной, и включает в себя два спектральных вклада (Полосы 1 и 2 в Табл. 1), что поясняется отклонением НЧ от сферической формы [10]. Положение полосы ПР определяется величиной еr(щ), а наблюдаемая разница связана со значениями еm для воды и PVP. Для AuNPs@SiO2 наблюдается хорошее совпадение полосы поглощения и аппроксимирующего гауссиана, указывая на сферические частицы. Полная ширина на полувысоте (FWHM) пика ПР зависит от еi(щ), и имеет близкие значения для соответствующих полос поглощения, что объясняется одной природой металла (золото) во всех исследуемых образцах.
Рис. 3. - УФ-Вид спектры трёх образцов с зависимостью пика ПР от еm и d (a), нормализованные спектры (b), результаты аппроксимации полосы ПР гауссианами для AuNPs@H2O (c), AuNPs@SiO2 (d) и AuNPs@PVP (e)
Таблица 1. Результаты анализа полос ПР образцов с золотыми НЧ
Образец |
Полоса 1, нм |
FWHM*1, нм |
Полоса 2, нм |
FWHM*2, нм |
|
AuNPs@H2O |
528 |
57,5 |
579 |
50,5 |
|
AuNPs@SiO2 |
547 |
64,5 |
- |
- |
|
AuNPs@PVP |
532 |
62,1 |
590 |
52,1 |
*FWHM - full width at half maximum (полная ширина на полувысоте)
Выводы
Проведен синтез трёх образцов золотых НЧ, окруженных оптически прозрачными средами с различной диэлектрической проницаемостью. Близость средних размеров НЧ золота (по ПЭМ) позволяет соотнести особенности их оптических свойств (по УФ-Вид спектрам) с величиной среднего размера НЧ, отклонением от сферичности НЧ и величиной диэлектрической проницаемости среды. Полученные образцы также имеют практическую значимость для различных применений [1]. В частности, коллоидный раствор золотых НЧ, как и PVP-покрытые частицы применяются в биомедицинских исследованиях [11], а композиты золотых НЧ в пористом стекле интересны для фотоники и сенсорики [12].
золотой наночастица диэлектрический резонанс
Литература
1. Daniel M.C., Astruc D. Gold nanoparticles: Assembly, supramolecular chemistry, quantum-size-related properties and applications toward biology, catalysis, and nanotechnology // Chem. Rev. 2004. №104. pp. 293-346.
2. Amendola V., Pilot R., Frasconi M., Maragт O.M., Iatм M.A., Surface plasmon resonance in gold nanoparticles: a review, J. Phys.: Condens. Matter // 2017. №29. 48 p.
3. Сучкова С.А., Положенцев О.Е., Смоленцев Н.Ю., Гуда А.А., Мазалова В.Л., Граф К., Рюль Э., Щербаков И.Н., Солдатов А.В. Функционализация наночастиц золота длинноцепочечными тиол- и аминосодержащими лигандами: исследование локальной атомной и электронной структуры связи лиганд-золото // Инженерный вестник Дона. 2013. №3.
4. Mie G. A contribution to the optics of turbid media, especially colloidal metallic suspensions // Ann. Phys., 1908. №330. pp. 377-445.
5. Noguez C. Surface Plasmons on Metal Nanoparticles: The Influence of Shape and Physical Environment // J. Phys. Chem. C. 2007. №111. pp. 3806-3819.
6. Черкасова С.О., Будник А.П. Синтез и диагностика пористого стекла с частицами золота // Инженерный вестник Дона. 2016. №3.
7. Budnyk A.P., Cherkasova S.O., Damin A. One-pot sol-gel synthesis of porous silica glass with gold nanoparticles // Mend. Com. 2017. №27. pp. 531-534.
8. Turkevich J., Stevenson P., Hillier J. A study of the nucleation and growth processes in the synthesis of colloidal gold // Discuss. Faraday Soc. 1951. №11. pp. 55-75.
9. Chen L., Peng Y., Wang H., Gua Zh., Duan Ch. Synthesis of Au@ZIF-8 single- or multi-core-shell structures for photocatalysis // Chem. Commun., 2014. №50. pp. 8651-8654.
10. Liz-Marzan L.M. Tailoring Surface Plasmons through the Morphology and Assembly of Metal Nanoparticles // Langmuir. 2006. №22. pp. 32-41.
11. Dykman L., Khlebtsov N. Gold nanoparticles in biomedical applications: recent advances and perspectives // Chem.Soc.Rev., 2012. №41. pp. 2256-2282.
12. Hodak J.H., Henglein A., Hartland G.V. Photophysics of Nanometer Sized Metal Particles: Electron-Phonon Coupling and Coherent Excitation of Breathing Vibrational Modes // J. Phys. Chem. B. 2000. №104. pp. 9954-9965.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Проблема зависимости цитотоксических свойств наночастиц от их кристаллической структуры. Изучение степени воздействия наночастиц на клеточную мембрану методом атомно-силовой спектроскопии. Качественное взаимодействие наночастиц TiO2 и эритроцитов.
курсовая работа [3,0 M], добавлен 13.06.2013Изучение наночастиц core-shell типа, созданных в макромолекулах жидкокристаллического дендримера поли (пропилен имина) второй генерации. Исследование динамики кристаллической решетки наночастиц методом ядерного гамма резонанса. Модель Дебая твердого тела.
курсовая работа [2,3 M], добавлен 21.06.2014Наночастицы типа core-shell. Исследование динамики кристаллической решетки наночастиц методом ядерного гамма резонанса. Модель Дебая твёрдого тела. Применение модельно-зависимого метода к моделированию мёссбауэровских спектров магнитных наночастиц.
дипломная работа [1,4 M], добавлен 20.07.2014Исследование диэлектрических свойств кристаллов со структурой перовскита методами дифференциальной диэлектрической спектроскопии. Спектры коэффициента отражения, восстановление диэлектрических функций феррита висмута. Диэлектрические и оптические функции.
курсовая работа [3,3 M], добавлен 26.03.2012Химическая природа пигментов и оптических свойствах краски. Влияние дисперсности па оптические свойства пигментов. Спектрофотометрические кривые. Диспергирование в масляной среде, а также взаимосвязь оптических и структурных свойств красочного слоя.
дипломная работа [503,1 K], добавлен 14.05.2014Общая характеристика малоразмерных наночастиц (кластеров). Методы расчетного определения характеристик наночастиц. Описание программных средств. Расчет характеристик металлических кластеров: структура и запас энергии, термодинамические функции наночастиц.
курсовая работа [562,3 K], добавлен 06.05.2012Основные понятия в нанотехологиях. Методы получения наночастиц. Процесс получения водного раствор наночастиц меди в СВЧ электромагнитном поле. Согласование рабочих камер. Анализ измерений диэлектрических параметров. Микроволновый нагреватель жидких сред.
дипломная работа [1,7 M], добавлен 26.07.2015Обзор теории взаимодействия вещества с электромагнитными волнами; методы измерения диэлектрических свойств материалов, способов синтеза и углеродных наноструктур. Отработка известных методик измерения диэлектрических свойств для углеродных нанопорошков.
курсовая работа [5,4 M], добавлен 29.02.2012Размерное квантование в полупроводниках. Методы получения и оптические свойства наночастиц сульфида кадмия. Люминесценция нанокристаллов сульфида кадмия, внедренных в полимер. Влияние внешних факторов на люминесценцию нанокристаллов соединений А2В6.
дипломная работа [1,9 M], добавлен 12.03.2008Методы получения наноразмерных объектов и контроля их характеристик. Изменение механических, электрических, магнитных, оптических и химических свойств металлов при переходе в наносостояние. Определение характеристик наноразмерных частиц в суспензиях.
реферат [1,2 M], добавлен 26.06.2010Физические принципы работы лазера. Оптические свойства инверсной среды. Конструкция газоразрядной трубки. Основные параметры оптических резонаторов. Распределение интенсивности в поперечном сечении лазерного пучка и положение щели при измерениях.
лабораторная работа [150,4 K], добавлен 18.11.2012Рассмотрение истории открытия и направлений применения жидких кристаллов; их классификация на смектические, нематические и холестерические. Изучение оптических, диамагнитных, диэлектрических и акустооптических свойств жидкокристаллических веществ.
курсовая работа [968,9 K], добавлен 18.06.2012Свойства нанокомпозитных кобальтсодержащих полимерных материалов на основе политетрафторэтилена. Образование наночастиц кобальта при химическом восстановлении имплантированных ионов Co в структуру полимерных мембран на основе политетрафторэтилена.
дипломная работа [4,6 M], добавлен 13.01.2015Изучение свойств пористых материалов. Исследование изменения диэлектрических характеристик и температуры фазового перехода сегнетовой соли и триглицинсульфата, внедрённых в Al2O3. Получение оксидных плёнок с нанометровыми порами анодированием алюминия.
дипломная работа [3,2 M], добавлен 28.09.2012Оптические свойства стекол (показатель преломления, молярная и ионная рефракция, дисперсия). Оптические свойства и строение боросиликатных стёкол, которые содержат на поверхности наноразмерные частицы серебра и меди. Методы исследования наноструктур.
дипломная работа [3,0 M], добавлен 18.09.2012Изучение теорий каустик, оптических свойств кривых и поверхностей на примере моделирования оптических систем в СКM Maple. Понятие каустики в рамках геометрической оптики, ее образования. Построение модели каустики, написание программных процедур.
дипломная работа [1,6 M], добавлен 16.06.2017Анализ методов термического и электроразрядного распыления в газовых и жидких средах для формирования наноразмерных частиц ZnO. Для реализации метода термического испарения использовалась трубчатая графитовая печь, нагреваемая по специальной программе.
реферат [197,0 K], добавлен 25.06.2010Обоснование возможности использования наночастиц как компонентов высокоэнергетических материалов. Характеристики наночастиц, описывающие дисперсность, состав, структуру. Разработка расчетных средств и методик для прогнозирования калорийности ВЭМ.
дипломная работа [1,7 M], добавлен 09.03.2012История и эволюции изготовления оптических деталей, его современное состояние. Характеристика простейших оптических деталей в виде линз. Место российских мастеров в развитии оптики и производства стекла. Исследования по обработке оптического стекла.
реферат [18,0 K], добавлен 09.12.2010Краткий обзор основных направлений синтеза полупроводниковых нанопроводов и наностержней, общее описание основных подходов к синтезу такого рода наночастиц. Попытка анализа закономерностей протекания самоорганизации наночастиц и ее возможных причин.
курсовая работа [2,8 M], добавлен 28.05.2013