Оптичний відгук металевих наночастинок тороїдальної форми
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe71.7.607Ключові слова:
тороїдальна металева наночастинка, перерiз поглинання, тензор поляризовностi, дiелектричний тензор, пiдхiд еквiвалентного сфероїда, поверхневий плазмонний резонансАнотація
У роботі досліджено оптичні властивості металевих наночастинок тороїдальної форми, що містяться в діелектричному середовищі. Для отримання частотних залежностей перерізів поглинання й розсіяння, а також діагональних компонент тензорів поляризовності й підсилення електричних полів, використано підхід еквівалентного сплюснутого сфероїда. Аналізуються чисельні результати для відповідних частотних залежностей. Встановлено факт аномально великого розщеплення максимумів перерізів поглинання й розсіяння, що виділяє тороїдальні частинки з усього класу аксіально-симетричних наночастинок. У бездисипативному наближенні визначено розмірні залежності поперечної та поздовжньої частот поверхневого плазмонного резонансу. Вивчено вплив тороїдальної форми й матеріалу наночастинок, а також матеріалу навколишнього середовища на їхній оптичний відгук.
Посилання
1. P.K. Jain, K.S. Lee, I.H. El-Sayed, M.A. El-Sayed. Calculated absorption and scattering properties of gold nanoparticles of different size, shape, and composition: Applications in biological imaging and biomedicine. J. Phys. Chem. B 110, 7238 (2006).
https://doi.org/10.1021/jp057170o
2. S.A. Maier. Plasmonics: Fundamentals and Applications (Springer, 2007).
https://doi.org/10.1007/0-387-37825-1
3. M.L. Dmytruk, S.Z. Malynych. Surface plasmon resonances and their manifestation in the optical properties of nanostructures of noble metals. Ukr. J. Phys. 9, 3 (2014/2019).
4. M. Sukharev, A. Nitzan. Optics of exciton-plasmon nanomaterials. J. Phys.: Condens. Matter 29, 443003 (2017).
https://doi.org/10.1088/1361-648X/aa85ef
5. A.O. Koval, A.V. Korotun, Yu.A. Kunytskyi, V.A. Tatarenko, I.M. Titov. Electrodynamics of plasmon effects in nanomaterials (Naukova Dumka, 2021).
6. U. Ulusoy. A review of particle shape effects on material properties for various engineering applications: From macro to nanoscale. Minerals 13, 91 (2023).
https://doi.org/10.3390/min13010091
7. J.C. Garno, C.D. Zangmeister, J.D. Batteas. Directed electroless growth of metal nanostructures on patterned self-assembled monolayers. Langmuir 23, 7874 (2007).
https://doi.org/10.1021/la070015b
8. S.B. Ulapane, N.J.B. Kamathewatta, H.M. Ashberry, C.L. Berrie. Controlled electroless deposition of noble metals on silicon substrates using self-assembled monolayers as molecular resists to generate nanopatterned surfaces for electronics and plasmonics. ACS Appl. Nano Mater. 2, 7114 (2019).
https://doi.org/10.1021/acsanm.9b01641
9. Q. Huo, J.G. Worden. Monofunctional gold nanoparticles: Synthesis and applications. J. Nanopart. Res. 9, 1013 (2007).
https://doi.org/10.1007/s11051-006-9170-x
10. K. Mahato, S. Nagpal, M.A. Shah, A. Srivastava, P.K. Maurya, S. Roy, A. Jaiswal, R. Singh, P. Chandra. Gold nanoparticle surface engineering strategies and their applications in biomedicine and diagnostics. Biotech 9, 57 (2019).
https://doi.org/10.1007/s13205-019-1577-z
11. P. Kumar, C. Verma. Surface-Functionalized Nanomaterials: Environmental, Energy Storage, Energy Conversion Applications (De Gruyter, 2025).
12. S. Bidault, F.J.G. de Abajo, A. Polman. Plasmon-based nanolenses assembled on a well-defined DNA template. J. Am. Chem. Soc. 130, 2750 (2008).
https://doi.org/10.1021/ja711074n
13. Y. Yang, Y. Jeon, Z. Dong et al. Nanofabrication for nanophotonics. ACS Nano 19, 12491 (2025).
14. K.L. Kelly, E. Coronado, L.L. Zhao, G.C. Schatz. The optical properties of metal nanoparticles: The influence of size, shape, and dielectric environment. J. Phys. Chem. B 107, 668 (2003).
https://doi.org/10.1021/jp026731y
15. N.J. Halas. Playing with plasmons: Tuning the optical resonant properties of metallic nanoshells. MRS Bulletin 30, 362 (2005).
https://doi.org/10.1557/mrs2005.99
16. M.P. Mcoyi, K.T. Mpofu, M. Sekhwama, P. Mthunzi-Kufa. Developments in localized surface plasmon resonance. Plasmonics 20, 5481 (2025).
https://doi.org/10.1007/s11468-024-02620-x
17. V.V. Kulish, P.M. Tomchuk. Optical properties of metal nanotubes and metal nanoshells. Surf. Sci. 602, 1045 (2008).
https://doi.org/10.1016/j.susc.2007.12.030
18. R.D. Averitt, D. Sarkar, N.J. Halas. Plasmon resonance shifts of Au-coated Au2S nanoshells: Insight into multicomponent nanoparticle growth. Phys. Rev. Lett. 78, 4217 (1997).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.4217
19. A.V. Korotun, A.A. Koval, I.N. Titov. Optical absorption of a composite based on bilayer metal-dielectric spherical nanoparticles. J. Appl. Spectrosc. 87, 240 (2020).
https://doi.org/10.1007/s10812-020-00991-7
20. S. Link, M.B. Mohamed, M.A. El-Sayed. Simulation of the optical absorption spectra of gold nanorods as a function of their aspect ratio and the effect of the medium dielectric constant. J. Phys. Chem. B 103, 3073 (1999).
https://doi.org/10.1021/jp990183f
21. A.V. Korotun, Ya.V. Karandas, V.I. Reva. Analytical theory of plasmon effects in rod-like metal nanoparticles. The equivalent-spheroid model. Ukr. J. Phys. 67, 849 (2023).
https://doi.org/10.15407/ujpe67.12.849
22. S. Lal, S. Link, N.J. Halas. Nano-optics from sensing to waveguiding. Nature Photonics 1, 641 (2007).
https://doi.org/10.1038/nphoton.2007.223
23. S.M.N.S. Kumari, X.T. Suryabai. Sensing the future - frontiers in biosensors: Exploring classifications, principles, and recent advances. ACS Omega 9, 48918 (2024).
https://doi.org/10.1021/acsomega.4c07991
24. P. Zijlstra, M. Orrit, A.F. Koenderink. Metal Nanoparticles for Microscopy and Spectroscopy (Springer, 2024).
https://doi.org/10.1007/978-3-031-71460-3_3
25. N. Kyvelos, N.A. Mortensen, X. Zheng, C. Tserkezis. Self-similar plasmonic nanolenses: Mesoscopic ensemble averaging and chiral light-matter interactions. J. Phys. Chem. C 129, 3635 (2025).
https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.4c07319
26. R.P.M. Höller, I.J. Jahn, D. Cialla-May, M. Chanana. Biomacromolecular-assembled nanoclusters: Key aspects for robust colloidal SERS sensing. ACS Appl. Mater. Interfaces 12, 57302 (2020).
https://doi.org/10.1021/acsami.0c16398
27. S.A. Maier, H.A. Atwater. Plasmonics: Localization and guiding of electromagnetic energy in metal/dielectric structures. J. Appl. Phys. 98, 011101 (2005).
https://doi.org/10.1063/1.1951057
28. A.G. Bracamonte. Development of Advanced Nano-Optics for Miniaturized Optical Set-Ups and Instrumentation (CRC Press, 2025).
https://doi.org/10.1201/9781032702063
29. A. Ahmadivand, B. Gerislioglu. Photonic and plasmonic metasensors. Laser & Photonics Reviews 16, 2100328 (2021).
https://doi.org/10.1002/lpor.202100328
30. J. Aizpurua, P. Hanarp, D.S. Sutherland, M. Käll, G.W. Bryant, F.J. García de Abajo. Optical properties of gold nanorings. Phys. Rev. Lett. 90, 057401 (2003).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.90.057401
31. S.I. Bozhevolnyi, V.S. Volkov, E. Devaux, J.-Y. Laluet, T.W. Ebbesen. Channel plasmon subwavelength waveguide components including interferometers and ring resonators. Nature 440, 508 (2006).
https://doi.org/10.1038/nature04594
32. E.M. Larsson, J. Alegret, M. Käll, D.S. Sutherland. Sensing characteristics of NIR localized surface plasmon resonances in gold nanorings for application as ultrasensitive biosensors. Nano Lett. 7, 1256 (2007).
https://doi.org/10.1021/nl0701612
33. M. Wang, H. Cai, Z. Su, Z. Yang, G. Ding, F. Zang. Narrow-Gap-Integrated ring arrays (GRA) as ultrahigh field-enhancement optical resonators. Adv. Funct. Mater. 35, 2417739 (2025).
https://doi.org/10.1002/adfm.202417739
34. C. Liu, S. Gu, M. Sun, Y. Zhang, J. Han. Theoretical investigation of terahertz spoof surface-plasmon-polariton devices based on ring resonators. Photonics 12, 70 (2025).
https://doi.org/10.3390/photonics12010070
35. X. Luo, R. Tan, Q. Li, J. Chen, Y. Xie, J. Peng, M. Zeng, M. Jiang, C. Wu, Y. He. High-sensitivity long-range surface plasmon resonance sensing assisted by gold nanoring cavity arrays and nanocavity coupling. Phys. Chem. Chem. Phys. 25, 9273 (2023).
https://doi.org/10.1039/D2CP05664J
36. F.J. García de Abajo, J. Aizpurua. Numerical simulation of electron energy loss near inhomogeneous dielectrics. Phys. Rev. B 56, 15873 (1997).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.56.15873
37. J. Aizpurua, L. Blanco, P. Hanarp, D.S. Sutherland, M. Käll, G.W. Bryant, F.J.G. de Abajo. Light scattering in gold nanorings. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 89, 11 (2004).
https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2004.05.007
38. A. Mary, A. Dereux, T.L. Ferrell. Localized surface plasmons on a torus in the nonretarded approximation. Phys. Rev. B 72, 155426 (2005).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.72.155426
39. A. Mary, D.M. Koller, A. Hohenau, J.R. Krenn, A. Bouhelier, A. Dereux. Optical absorption of torus-shaped metal nanoparticles in the visible range. Phys. Rev. B 76, 245422 (2007).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.76.245422
40. F. Hao, P. Nordlander, M.T. Burnett, S.A. Maier. Enhanced tunability and linewidth sharpening of plasmon resonances in hybridized metallic ring/disk nanocavities. Phys. Rev. B 76, 245417 (2007).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.76.245417
41. C.M. Dutta, T.A. Ali, D.W. Brandl, T.-H. Park, P. Nordlander. Plasmonic properties of a metallic torus. J. Chem. Phys. 129, 419 (2003).
https://doi.org/10.1063/1.2971192
42. E. Prodan, C. Radloff, N.J. Halas, P. Nordlander. A hybridization model for the plasmon response of complex nanostructures. Science 302, 419 (2003).
https://doi.org/10.1126/science.1089171
43. E. Prodan, P. Nordlander. Plasmon hybridization in spherical nanoparticles. J. Chem. Phys. 120, 5444 (2004).
https://doi.org/10.1063/1.1647518
44. D. Constantin. Why the aspect ratio? Shape equivalence for the extinction spectra of gold nanoparticles. Eur. Phys. J. E 38, 116 (2015).
https://doi.org/10.1140/epje/i2015-15116-2
45. A.V. Korotun, N.I. Pavlyshche. Optical absorption of a composite with randomly distributed metallic inclusions of various shapes. Funct. Mater. 29, 567 (2022).
https://doi.org/10.15407/fm29.04.567
46. A.V. Korotun. Plasmonic phenomena in biconical and bipyramidal metal nanoparticles. Ukr. J. Phys. 68, 695 (2023).
47. A.V. Korotun. More on the size effects on the spectral figure of merit and enhancement of the local fields in the neighborhood of biconical and bipyramidal metallic nanoparticles. Low Temp. Phys. 51, 133 (2025).
https://doi.org/10.1063/10.0034658
48. N.I. Pavlyshche, A.V. Korotun, V.P. Kurbatsky, V.I. Reva. Plasmon phenomena in metal-dielectric nanodiscs. An equivalent-spheroid approach. Ukr. J. Phys. 70, 263 (2025).
https://doi.org/10.15407/ujpe70.4.263
49. N.I. Pavlyshche, A.V. Korotun, V.P. Kurbatsky, R.Yu. Korolkov. Plasmon phenomena in metal-dielectric nanodiscs. An equivalent-spheroid approach. Funct. Mater. 32, 108 (2025).
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
