Исследовано пространственное распределение локального электрического поля (ЛЭП) для различных структурных конфигураций из наночастиц (НЧ) серебра в силикатном и цинк-фосфатном стеклах. Особенности такого распределения определяют эффективность передачи энергии от плазмонных НЧ к расположенным в их окрестности редкоземельным (РЗ) ионам. Механизм передачи энергии через усиление поля, вызванного поверхностным плазмонным резонансом частиц, является доминирующим для НЧ с размером ?5 нм и определяется рядом факторов. Для выяснения их роли изучены зависимости ЛЭП от размера, пространственного распределения и степени агломерации НЧ серебра в стекле. С этой целью предложено наглядное представление пространственного распределения ЛЭП в окрестности агломератов плазмонных НЧ, позволяющее проводить эффективный сравнительный анализ характера усиления поля в местах гипотетического расположения РЗ-ионов. На основе моделирования установлена связь усиления интенсивности ЛЭП, пространственного распределения таких мест усиления относительно ближайшей плазмонной частицы с размером, степенью агломерации НЧ, наличием малых (?5 нм) частиц в образце наряду с относительно большими. Показано, что оптимальной конфигурацией наночастиц серебра в стекле для получения максимального среднего усиления интенсивности поля в точкахвозможного расположения РЗ-ионов является агломерат частиц с размерами чуть больше 25 нм и средними расстояниями между центрами частиц ~30 нм.
Василий Валерьевич Срабионян – канд. физ.-мат. наук, доцент, кафедра теоретической и вычислительной физики, физический факультет, Южный федеральный университет (ЮФУ), Ростов-на-Дону, Россия. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript..
Максим Павлович Ветчинников – канд. хим. наук, ассистент, кафедра химической технологии стекла и ситаллов, факультет технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов, ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева (РХТУ), Москва, Россия. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Дарья Сергеевна Рубаник – аспирант, кафедра теоретической и вычислительной физики, физический факультет, Южный федеральный университет (ЮФУ), Ростов-на-Дону, Россия. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Вениамин Александрович Дурыманов – канд. физ.-мат. наук, стажер-исследователь, кафедра теоретической и вычислительной физики, физический факультет, Южный федеральный университет (ЮФУ), Ростов-на-Дону, Россия. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Иван Алексеевич Викленко – магистрант, кафедра теоретической и вычислительной физики, физический факультет, Южный федеральный университет (ЮФУ), Ростов-на-Дону, Россия. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Леон Александрович Авакян – д-р физ.-мат. наук, профессор, кафедра теоретической и вычислительной физики, физический факультет, Южный федеральный университет (ЮФУ), Ростов-на-Дону, Россия. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Энжегель Мансуровна Зинина – инженер, кафедра химической технологии стекла и ситаллов, факультет технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов, ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева (РХТУ) Москва, Россия. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Георгий Юрьевич Шахгильдян – канд. хим. наук, заместитель проректора по развитию образовательных программ и международной деятельности; доцент, кафедра химической технологии стекла и ситаллов, факультет технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов, ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева (РХТУ) Москва, Россия. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Владимир Николаевич Сигаев – д-р хим. наук, профессор, заведующий кафедрой химической технологии стекла и ситаллов; руководитель Международного центра лазерных технологий, руководитель лаборатории оптической памяти на стекле, ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева (РХТУ), Москва, Россия. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Лусеген Арменакович Бугаев – д-р физ.-мат. наук, заведующий кафедрой теоретической и вычислительной физики, физический факультет, Южный федеральный университет (ЮФУ), Ростов-на-Дону, Россия. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
1. Geddes C. D., Cao H., Gryczynski I., et al. Metal-enhanced fluorescence (MEF) due to silver colloids on a planar surface: potential applications of indocyanine green to in Vivo imaging // J. Phys. Chem. A. 2003. V. 107, No. 18. P. 3443 – 3449.
2. Kreibig U., Vollmer M. Optical properties of metal clusters. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 1995. V. 25. P. 275 – 436.
3. Sooraj B. N. S., Pradeep T. Optical properties of metal clusters // Atomically Precise Metal Nanoclusters. Elsevier, 2023. P. 83 – 101.
4. Barnes W. L., Dereux A., Ebbesen T. W. Surface plasmon subwavelength optics // Nature. 2003. V. 424, No. 6950. P. 824 – 830.
5. Eustis S., El-Sayed A. M. Why gold nanoparticles are more precious than pretty gold: Noble metal surface plasmon resonance and its enhancement of the radiative and nonradiative properties of nanocrystals of different shapes // Chem. Soc. Rev. The Royal Society of Chemistry, 2006. V. 35, No. 3. P. 209 – 217.
6. Mulvaney P. Surface plasmon spectroscopy of nanosized metal particles // Langmuir. 1996. V. 12, No. 3. P. 788 – 800.
7. Yu H., Peng Y., Yang Y., Li Z.-Y. Plasmon-enhanced light–matter interactions and applications // npj Comput. Mater. 2019. V. 5, No. 1. P. 45.
8. Stockman M. I. Nanoplasmonics: past, present, and glimpse into future // Opt. Express. 2011. V. 19, No. 22. P. 22029.
9. Su Y. H., Lai W. H., Teoh L. G., et al. How the optical properties of Au nanoparticles are affected by surface plasmon resonance // 2006 IEEE International Conference on Semiconductor Electronics. IEEE, 2006. P. 138 – 141.
10. Lakowicz J. R., Ray K., Chowdhury M., et al. Plasmon-controlled fluorescence: a new paradigm in fluorescence spectroscopy // Analyst. 2008. V. 133, No. 10. P. 1308 – 1346.
11. Li J.-F., Li C.-Y., Aroca R. F. Plasmon-enhanced fluorescence spectroscopy // Chem. Soc. Rev. 2017. V. 46, No. 13. P. 3962 – 3979.
12. Jang Y. H., Jang Y. J., Kim S., et al. Plasmonic solar cells: from rational design to mechanism overview // Chem. Rev. 2016. V. 116, No. 24. P. 14982 – 15034.
13. Wu D. M., Garc?a-Etxarri A., Salleo A., Dionne J. A. Plasmon-enhanced upconversion // J. Phys. Chem. Lett. 2014. V. 5, No. 22. P. 4020 – 4031.
14. Dong J., Gao W., Han Q., et al. Plasmon-enhanced upconversion photoluminescence: Mechanism and application // Rev. Phys. 2019. V. 4. P. 100026.
15. de Assump??o T. A. A., Kassab L. R. P., Gomes A. S. L., et al. Influence of the heat treatment on the nucleation of silver nanoparticles in Tm3+ doped PbO-GeO2 glasses // Appl. Phys. B. 2011. V. 103, No. 1. P. 165 – 169.
16. Swetha B. N., Keshavamurthy K., Jagannath G. Influence of size of Ag NP on spectroscopic performances of Eu3+ ions in sodium borate glass host // Optik (Stuttg). 2021. V. 240. P. 166918.
17. Swetha B. N., Keshavamurthy K., Gupta G., et al. Silver nanoparticles enhanced photoluminescence and the spectroscopic performances of Nd3+ ions in sodium lanthanum borate glass host: Effect of heat treatment // Ceram. Int. 2021. V. 47, No. 15. P. 21212 – 21220.
18. Fares H., Stambouli W., Elhouichet H., et al. Nano-silver enhanced luminescence of Er3+ ions embedded in tellurite glass, vitro-ceramic and ceramic: impact of heat treatment // RSC Adv. 2016. V. 6, No. 37. P. 31136 – 31145.
19. Som T., Karmakar B. Surface plasmon resonance in nano-gold antimony glass-ceramic dichroic nanocomposites: One-step synthesis and enhanced fluorescence application // Appl. Surf. Sci. 2009. V. 255, No. 23. P. 9447 – 9452.
20. Zhang W., Lin J., Cheng M., et al. Radiative transition, local field enhancement and energy transfer microcosmic mechanism of tellurite glasses containing Er3+, Yb3+ ions and Ag nanoparticles // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 2015. V. 159. P. 39 – 52.
21. Ashur Said Mahraz Z., Sahar M. R., Ghoshal S. K., et al. Silver nanoparticles enhanced luminescence of Er3+ ions in boro-tellurite glasses // Mater. Lett. 2013. V. 112. P. 136 – 138.
22. Scholl J. A., Koh A. L., Dionne J. A. Quantum plasmon resonances of individual metallic nanoparticles // Nature. 2012. V. 483, No. 7390. P. 421 – 427.
23. Zhang X., Marocico C. A., Lunz M., et al. Experimental and theoretical investigation of the distance dependence of localized surface plasmon coupled F?rster resonance energy transfer // ACS Nano. 2014. V. 8, No. 2. P. 1273 – 1283.
24. Zhang J., Fu Y., Lakowicz J. R. Enhanced F?rster resonance energy transfer (FRET) on a single metal particle // J. Phys. Chem. C. 2007. V. 111, No. 1. P. 50 – 56.
25. Chikalova-Luzina O. P., Aleshin A. N., Shcherbakov I. P. Specific features of energy transfer in nanocomposite films based on MEH-PPV polymer semiconductor and ZnO nanoparticles // Phys. Solid State. 2015. V. 57, No. 3. P. 618 – 623.
26. Govorov A., Hern?ndez Mart?nez P. L., Demir H. V. Understanding and modeling f?rster-type resonance energy transfer (FRET). Singapore: Springer Singapore, 2016.
27. Som T., Karmakar B. Enhanced frequency upconversion of Sm3+ ions by elliptical Au nanoparticles in dichroic Sm3+: Au-antimony glass nanocomposites // Spectrochim. Acta Part A Mol. Biomol. Spectrosc. 2010. V. 75, No. 2. P. 640 – 646.
28. Yu C., Yang Z., Zhao J., et al. Preparation and photoluminescence enhancement of Au nanoparticles with ultra?broad plasmonic absorption in glasses // J. Am. Ceram. Soc. 2019. V. 102, No. 7. P. 4200 – 4212.
29. Dai S., Yu C., Zhou G., et al. Concentration quenching in erbium-doped tellurite glasses // J. Lumin. 2006. V. 117, No. 1. P. 39 – 45.
30. Kumar K., Rai S. B., Rai D. K. Upconversion and concentration quenching in Er3+-doped TeO2–Na2O binary glasses // J. Non. Cryst. Solids. 2007. V. 353, No. 13 – 15. P. 1383 – 1387.
31. Zhang W., Lin J., Sun G., et al. Stability, glass forming ability and spectral properties of Ho/Yb co-doped TeO2–WO3–ZnX (X = O/F2/Cl2) system // Opt. Mater. (Amst). 2014. V. 36, No. 6. P. 1013 – 1019.
32. Heinz M., Srabionyan V. V., Bugaev A. L., et al. Formation of silver nanoparticles in silicate glass using excimer laser radiation: Structural characterization by HRTEM, XRD, EXAFS and optical absorption spectra // J. Alloys Compd. 2016. V. 681. P. 307 – 315.
33. Heinz M., Srabionyan V. V., Avakyan L. A., et al. Formation and implantation of gold nanoparticles by ArF-excimer laser irradiation of gold-coated float glass // J. Alloys Compd. 2018. V. 736. P. 152 – 162.
34. Heinz M., Srabionyan V. V., Avakyan L. A., et al. Formation of bimetallic gold-silver nanoparticles in glass by UV laser irradiation // J. Alloys Compd. 2018. V. 767. P. 1253 – 1263.
35. Lipatiev A. S., Fedotov S. S., Lotarev S. V., et al. Single-pulse laser-induced Ag nanoclustering in silver-doped glass for high-density 3D-rewritable optical data storage // ACS Appl. Nano Mater. 2022. V. 5, No. 5. P. 6750 – 6756.
36. Shakhgildyan G., Durymanov V., Ziyatdinova M., et al. Effect of gold nanoparticles on the crystallization and optical properties of glass in ZnO-MgO-Al2O3-SiO2 system // Crystals. 2022. V. 12, No. 2. P. 287.
37. Srabionyan V. V., Avakyan L. A., Durymanov V. A., et al. Atomic structure and optical properties of color centers of silver in AgAu/glass irradiated by UV laser // J. Phys. Chem. Solids. 2023. V. 179. P. 111412.
38. Srabionyan V. V., Heinz M., Kaptelinin S. Y., et al. Effect of thermal post-treatment on surface plasmon resonance characteristics of gold nanoparticles formed in glass by UV laser irradiation // J. Alloys Compd. 2019. V. 803. P. 354 – 363.
39. Mackowski D. W., Mishchenko M. I. A multiple sphere T-matrix Fortran code for use on parallel computer clusters // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 2011. V. 112, No. 13. P. 2182 – 2192.
40. Avakyan L. A. Python wrapper for multiple sphere T-matrix (MSTM) code to calculate surface plasmon resonance (SPR) spectrum. [Electronic resource]. 2017. URL: https://github.com/lavakyan/mstm spectrum
41. Avakyan L. A., Heinz M., Skidanenko A. V., et al. Insight on agglomerates of gold nanoparticles in glass based on surface plasmon resonance spectrum: study by multi-spheres T-matrix method // J. Phys. Condens. Matter. 2018. V. 30, No. 4. P. 045901.
42. COMSOL Multiphysics® v. 5.6. [Electronic resource] // COMSOL AB, Stockholm, Sweden. URL: www.comsol.com
43. Berenger J.-P. A perfectly matched layer for the absorption of electromagnetic waves // J. Comput. Phys. 1994. V. 114, No. 2. P. 185 – 200.
44. Yang H. U., D’Archangel J., Sundheimer M. L., et al. Optical dielectric function of silver // Phys. Rev. B. 2015. V. 91, No. 23. P. 235137.
45. Santill?n J. M. J., Videla F. A., Fern?ndez van Raap M. B., et al. Influence of size-corrected bound-electron contribution on nanometric silver dielectric function. Sizing through optical extinction spectroscopy // J. Phys. D. Appl. Phys. 2013. V. 46, No. 43. P. 435301.
46. Lakowicz J. R. Radiative decay engineering 5: metal-enhanced fluorescence and plasmon emission // Anal. Biochem. 2005. V. 337, No. 2. P. 171 – 194.
47. Shakhgildyan G. Y., Lotarev S., Vetchinnikov M. Thermally-induced precipitation of gold nanoparticles in phosphate glass: effect on the optical properties of Er3+ ions // J. Non. Cryst. Solids. 2020. V. 550. P. 120408.
Статью можно приобрести
в электронном виде!
PDF формат
700 руб
DOI: 10.14489/glc.2024.01.pp.003-013
Тип статьи:
Научная статья
Оформить заявку
