Влияние поверхностного рассеяния на баланс поглощения-рассеяния золотых нанополоск

Аннотация

Золотые нанополоски проявляют яркое рассеяние и поглощение света вблизи своего плазмонного резонанса, позволяя биомедицинскую визуализацию и фотогермическую терапию. В наномасштабе диэлектрический отклик золота изменяется поверхностным рассеянием проводимых электронов, что становится значимым, когда толщина оболочки приближается к среднему свободному пути электрона (~37,7 нм). Это исследование исследует, как поверхностное рассеяние модифицирует соотношения оптического поглощения и рассеяния к общему затуханию для золотых нанополоск различной толщины оболочки. Симуляции на основе теории Ми с скорректированной друдовой диэлектрической функцией показывают, что поверхностное рассеяние увеличивает отношение поглощения и уменьшает отношение рассеяния, особенно для более тонких оболочек. Экспериментальные спектры затухания и поглощения трёх нанополоск (16-нм, 29-нм и 36-нм золотые оболочки) подтверждают предсказания симуляций. Параметры подгонки раскрывают, что фактическое демпфирование электронов превышает предсказания простой модели бильярдного рассеяния, указывая на дополнительные вклады от интерфейсной химии и квантовых эффектов.

Введение

Золотые нанополоски состоят из диэлектрического ядра (силица или Au₂S), окружённого золотой оболочкой. Их биосовместимость, лёгкая функционализация, настраиваемый ближний ИК резонанс и совместимость с биологическим окном прозрачности сделали их привлекательными для визуализации и терапии. Оптические свойства одиночной ядро-оболочки частицы рассчитываются через расширенную теорию Ми, давая сечения поглощения, рассеяния и затухания; последнее — просто сумма первых двух.

Когда толщина оболочки сравнима с или меньше объёмного среднего свободного пути электронов, дополнительные столкновения проводимых электронов с поверхностью оболочки расширяют плазмонный резонанс и снижают абсолютные эффективности рассеяния и поглощения. В приложениях, где требуется только рассеяние — например, безмаркерная визуализация или оптическая проекция — высокие соотношения рассеяния-к-поглощению критичны. И наоборот, фотогермическая терапия требует обратного, подчеркивая важность понимания того, как поверхностное рассеяние влияет на эти соотношения.

Результаты и обсуждение

Симуляции выполнены для четырёх золотых нанополоск с общим 80-нм силициевым ядром, но различной толщиной золотой оболочки: 15, 25, 35 и 45 нм. Эффективности затухания и поглощения рассчитаны с (синие линии) и без (красные линии) дополнительного члена демпфирования γ_s из-за поверхностного рассеяния. Использованная друдовая диэлектрическая функция:

ε_sh = ε_exp + π_p²/[λ(λ + iγ_b)] - π_p²/[λ(λ + i(γ_b + γ_s))]

где γ_s = v_F/L_B с L_B, заданным бильярдной моделью:

L_B = 4(r_o³ - r_i³)/[3(r_o² + r_i²)]

Ключевые выводы: (1) Поверхностное рассеяние расширяет пик затухания и снижает его величину; (2) поглощение значительно возрастает при дипольном резонансе (700–800 нм), но остаётся практически неизменным при квадрупольном пике (550–600 нм); (3) отношение поглощения-к-затуханию растёт для более тонких оболочек, как показано в правом столбце рис. 1. Таблица 1 квантифицирует изменение отношения для каждой толщины.

Пространственные карты электрического поля (рис. 2) раскрывают, что включение поверхностного рассеяния снижает интенсивность ближнего поля |E|² внутри оболочки, согласуясь с уменьшенной амплитудой осцилляций электронов и увеличенной тепловыделением.

Экспериментальные измерения на трёх fabriцированных нанополосках (16-нм, 29-нм, 36-нм золотые оболочки) сравнены с симуляциями. При учёте поверхностного рассеяния расчётные сечения поглощения совпадают с измеренными спектрами (рис. 4). Без поверхностного рассеяния симулированное поглощение занижает экспериментальные данные, подчеркивая необходимость учёта размерно-зависимого демпфирования.

Методы/Эксперимент

Золотые нанополоски диспергировали в поливиниловый спирт (PVA) для формирования тонких плёнок (~0,3 мм). Затухание извлекали из закона Бугера-Ламберта-Бура, используя прохождение наночастицами загруженной плёнки относительно чистого PVA референса. Поглощение извлекали через интегрирующую сферу установку, корректируя множественное рассеяние путём оценки 10 % (16-нм) и 5 % (29-нм и 36-нм) вклада от рассеянного света (уравнение 17).

Заключение

Поверхностное рассеяние проводимых электронов в золотых нанополосках не только расширяет резонанс затухания, но и увеличивает отношение поглощения-к-затуханию, тем самым снижая эффективность рассеяния — эффекты, усиливающиеся для более тонких оболочек. Экспериментальная валидация подтверждает, что симуляции с учётом размерно-зависимого демпфирования точно воспроизводят измеренные оптические отклики. Эти инсайты предоставляют количественный фреймворк для адаптации золотых нанополоск к достижению желаемых характеристик рассеяния или поглощения в биомедицинских и фотонных приложениях.