Плазмонные свойства металлических наночастиц определяются коллективными колебаниями свободных электронов на поверхности металла при воздействии электромагнитного излучения. Эти колебания называются поверхностными плазмонами и приводят к резонансному поглощению и рассеянию света, что лежит в основе уникальных оптических характеристик наночастиц.
Поверхностный плазмонный резонанс возникает, когда частота внешнего электромагнитного поля совпадает с частотой колебаний свободных электронов в металле. Для сферических наночастиц размером меньше длины волны света описывается теорией Мимса (Mie theory), которая позволяет вычислить коэффициенты поглощения и рассеяния:
[ _ ]
где (_1) и (_2) — действительная и мнимая части диэлектрической функции металла, (_m) — диэлектрическая проницаемость среды, () — частота внешнего поля. Максимум поглощения возникает при условии (_1 = -2 _m).
SPR характеризуется высокой локализацией электромагнитного поля на поверхности наночастицы, что делает её эффективным усилителем локального поля.
Размер наночастиц определяет ширину и положение плазмонного резонанса. Для малых частиц (диаметр < 20 нм) резонанс узкий и определяется преимущественно диэлектрической функцией металла. С увеличением диаметра усиливаются эффекты рассеяния, а резонанс смещается в красную область спектра.
Форма наночастиц оказывает существенное влияние: нанопалочки, нанопластины и нанозвёзды демонстрируют мультиплазмонные моды, обусловленные продольными и поперечными колебаниями электронов. Продольные моды проявляются при более низких энергиях, сдвигая резонанс в инфракрасную область.
Диэлектрическая среда вокруг наночастицы изменяет условие резонанса. Повышение показателя преломления среды вызывает красное смещение SPR, что используется для разработки сенсоров химических веществ и биомолекул. Поверхностное функционализирование молекулами с высоким дипольным моментом также влияет на положение и ширину резонансного пика.
Наиболее активно изучаются наночастицы золота (Au) и серебра (Ag).
Менее изученные, но перспективные металлы включают медь (Cu), алюминий (Al) и платину (Pt), которые проявляют SPR в ультрафиолетовом и видимом диапазонах, что важно для фотокатализа и сенсорики.
При резонансе амплитуда поля на поверхности наночастицы может превышать амплитуду падающего света в сотни раз. Этот эффект используется в:
Для частиц <2–3 нм классическая теория Мимса перестаёт быть применимой. Проявляются квантовые ограничения: дискретизация энергетических уровней, снижение плотности состояний на поверхности, уменьшение интенсивности SPR и её сдвиг в синюю область. В этих системах важны электронно-структурные расчёты и методы квантовой механики.
Временные шкалы процессов включают:
Эти временные характеристики важны для разработки фотонных устройств, катализаторов и медицинских приложений.
Плазмонные свойства металлических наночастиц образуют фундамент для разработки новых материалов с управляемыми оптическими характеристиками, что открывает перспективы в химии, медицине и информационных технологиях.