La Science de la Plasmonique

Les nanoparticules plasmoniques - notamment les particules d'or, d'argent et de platine - sont des particules métalliques discrètes qui possèdent des propriétés optiques uniques en raison de leur taille et de leur forme, et sont de plus en plus incorporées dans des produits et technologies commerciaux. Ces technologies, qui couvrent des domaines allant du photovoltaïque aux capteurs biologiques et chimiques, tirent parti de l'extraordinaire efficacité des nanoparticules plasmoniques pour absorber et diffuser la lumière. De plus, contrairement à la plupart des colorants et pigments, les nanoparticules plasmoniques ont une couleur qui dépend de leur taille et de leur forme et peuvent être ajustées pour optimiser les performances pour des applications individuelles sans modifier la composition chimique du matériau : par exemple, les solutions ci-dessous contiennent des nanoparticules d'or ou d'argent. avec une taille et une forme contrôlées qui ajustent leur réponse optique, résultant en des dispersions aux couleurs vives.

Ce module décrit l'origine de la résonance plasmonique de surface dans les nanoparticules métalliques et présente les propriétés optiques résultantes pour cette classe intéressante de matériaux.

Nanoparticules plasmoniques

Les nanoparticules plasmoniques sont des absorbeurs et des diffuseurs de lumière extrêmement puissants et sont utilisées dans les diagnostics à flux latéral, la spectroscopie de surface améliorée, le marquage et les capteurs de changement de couleur. En modifiant la taille, la forme et la composition des nanoparticules, la réponse optique peut être ajustée depuis l'ultraviolet jusqu'aux régions visibles et proches de l'infrarouge du spectre électromagnétique. En modifiant l'absorption et la diffusion, la couleur des dispersions et des films de nanoparticules peut également être ajustée : par exemple, les solutions de nanoparticules d'or sphériques sont de couleur rouge rubis en raison de la forte diffusion et absorption dans la région verte du spectre, tandis que les solutions de les nanoparticules d'argent sont jaunes en raison de la résonance plasmonique dans la région bleue du spectre (la lumière rouge et verte n'est pas affectée).

En plus des nanoparticules métalliques, il existe des exemples récents de nanoparticules d'oxyde métallique dopées avec d'autres atomes métalliques qui présentent des résonances plasmoniques fortes et accordables. En modifiant la taille des particules, le dopant et la concentration en dopant, des résonances plasmoniques dans le proche infrarouge (NIR) et l'infrarouge à courte longueur d'onde (SWIR) ont été fabriquées.

Qu’est-ce qu’une résonance plasmonique de surface ?

Les propriétés optiques remarquables des matériaux plasmoniques sont dues au fait que les électrons de conduction à la surface des nanoparticules subissent une oscillation collective lorsqu'ils sont excités par la lumière à des longueurs d'onde spécifiques (illustré ci-dessous). Cette oscillation, connue sous le nom de résonance plasmonique de surface (SPR), entraîne une diffusion et une absorption inhabituellement fortes de la lumière. Lorsque ces résonances sont excitées, les intensités d'absorption et de diffusion peuvent être jusqu'à 40 fois supérieures à celles de particules de taille identique qui ne sont pas plasmoniques.

La physique des résonances plasmoniques

La base de cet effet est la résonance plasmonique des électrons libres dans la nanoparticule métallique, qui peut être comprise en étudiant la polarisabilité (la facilité avec laquelle les charges, telles que les électrons de conduction à la surface de la nanoparticule métallique, subissent une distribution de charges et forment des particules partielles). dipôles). Pour une nanoparticule sphérique, la polarisabilité quasi-statique de la nanoparticule est donnée par

ε 1 est la fonction diélectrique dépendant de la longueur d'onde de la nanoparticule et ε2 est la fonction diélectrique de le milieu qui reste à peu près constant quelle que soit la longueur d’onde. Lorsque la condition Re{ε1} = -2ε2 est satisfaite, la particule est entraînée en résonance ce qui entraîne une forte augmentation de l’absorption et/ou de la diffusion à cette longueur d’onde. La condition de résonance dépend de la fonction diélectrique dépendant de la longueur d'onde de la nanoparticule ainsi que de la fonction diélectrique du milieu. Par conséquent, les propriétés optiques des nanoparticules dépendent fortement de la composition du matériau, de sa taille et du milieu dans lequel les particules sont incorporées. Par exemple, l'augmentation du rapport hauteur/largeur des nanotiges d'or entraîne le déplacement de la résonance du plasmon du visible vers le NIR, comme indiqué ci-dessous.

Les propriétés optiques des nanoparticules sont également sensibles à la proximité d'autres matériaux plasmoniques. Lorsque deux nanoparticules plasmoniques ou plus sont proches l'une de l'autre (avec des séparations bord à bord d'un diamètre de particule ou moins), leurs plasmons de surface se couplent lorsque les électrons de conduction sur la surface de chaque particule oscillent collectivement. Cet effet est similaire à la théorie des orbitales moléculaires dans la mesure où le couplage plasmonique fait que les électrons oscillants assument l'état d'énergie le plus bas, provoquant un décalage vers le rouge de la longueur d'onde de résonance plasmonique des particules couplées vers des longueurs d'onde plus longues (énergies inférieures). Cet effet de couplage est responsable des changements spectaculaires dans la couleur visible de la solution de nanoparticules plasmoniques lorsque les nanoparticules s'agrègent et constitue également la base de nombreux types différents de capteurs de nanoparticules plasmoniques.

Modélisation de la réponse optique des nanoparticules plasmoniques

Chez nanoComposix, nous utilisons la modélisation pour prédire les propriétés optiques d'une nanoparticule d'une taille et d'une forme données afin de cibler des morphologies pour fabriquer des particules qui résonneront à des longueurs d'onde souhaitées (par exemple avec une ligne laser spécifique), ainsi que à des fins de contrôle qualité afin de garantir que nos nanoparticules sont hautement monodispersées et ont des formes uniformes.

La modélisation des nanoparticules sphériques est généralement réalisée à l'aide de la théorie de Mie. La théorie de Mie n'est pas réellement une théorie, mais plutôt la solution analytique des équations de Maxwell pour la diffusion de la lumière par une particule sphérique. La théorie de Mie peut être utilisée pour calculer la diffusion à partir de sphères de n'importe quel diamètre et n'importe quelle longueur d'onde de la lumière. Alors que la théorie classique de Mie supposait que la sphère serait composée d'un seul matériau, plus récemment, la théorie de Mie a été adaptée pour résoudre la diffusion de la lumière à partir de sphères en couches. Chez nanoComposix, nous avons écrit un code théorique Mie personnalisé pour calculer l'extinction, l'absorption et la diffusion des nano- et microparticules métalliques et diélectriques. Notre en ligne Calculatrice de la théorie de Mie vous permet de choisir la taille des nanoparticules, leur composition et les propriétés du milieu entourant les particules, ainsi que de calculer le spectre de diffusion et d'absorption.

Ressources supplémentaires

Littérature recommandée

  1. Eustis, S. et El-Sayed, M. A. "Pourquoi les nanoparticules d'or sont plus précieuses que le joli or : la résonance plasmonique de surface des métaux nobles et son amélioration des propriétés radiatives et non radiatives des nanocristaux de différentes formes." Revue de la Société Chimique35(3), 209-217 (2006).
  2. Willets, KA et Van Duyne, RP "Spectroscopie et détection de résonance plasmonique de surface localisée." Revue annuelle de chimie physique58, 267-297 (2007).
  3. Barnes, W. L., Dereux, A. et Ebbesen, T. W. « Optique sous-longueur d'onde des plasmons de surface ». Nature424(6950), 824-830 (2003).

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