Оренбургский государственный университет

Исследование плазмонных свойств двухкомпонентных композитных наночастиц для определения ближнепольных оптических характеристик гибридных молекулярных систем

Проект № 233

Руководитель проекта — д-р физ.-мат. наук, профессор Кучеренко М.Г.

Проект направлен на решение фундаментальной проблемы расчета оптимальных характеристик и создания эффективных нанометровых антенн — амплификаторов ближнего поля для изменения радиационных параметров молекулярных излучателей, а также скоростей безызлучательной передачи энергии электронного возбуждения в парах разносортных молекул. В результате решения этой проблемы удастся создать наноструктурированные функциональные устройства и системы, предназначенные осуществлять локальное усиление электромагнитного поля в определенных областях пространства, а также целенаправленное пространственно-временное перераспределение силовых характеристик поля. В качестве такого поля рассматривается поле лазерного излучения или вызванное (инициированное) им излучение некоторой атомно-молекулярной системы. Разработанные до настоящего времени концентраторы и конверторы излучения оптического диапазона частот не удовлетворяют в полной мере современным требованиям соответствующих областей техники и технологий. Кроме того, достижение цели проекта позволит повысить качество изображения ближнепольных оптических микроскопов при его формировании на основе усиленных сигналов в результате плазмонного резонанса в специально сформированных металлокомпозитных наноструктурах. В качестве определяющего параметра нанокомпозитной системы предлагается рассматривать дипольную (мультипольную) динамическую поляризуемость композита с подробным исследованием плазмонного резонанса в условиях изменения структуры, размеров и формы композита. В качестве композитных систем рассмотрены сферические слоистые системы "ядро — оболочка" с проводящей сердцевиной или, наоборот, с диэлектрическим ядром и проводящей оболочкой. Другая разновидность сферического композита — двухкомпонентная система из металлического ядра и металлической оболочки. Сочетание различных материалов композита дает возможность тонкой настройки системы на плазмонный резонанс с эффективным изменением амплитуды и спектральной ширины этого резонанса. Кроме сферических систем исследованы сфероидальные металлические наночастицы и бинарные кластеры композитных наночастиц. Большое внимание уделено учету вырожденности электронного газа металлического компонента композита.

Результаты НИР: впервые получены частотные зависимости действительной и мнимой частей дипольной поляризуемости сферического нанокомпозита с диэлектрической сердцевиной, а также инверсионной системы с проводящей сердцевиной и диэлектрическим покрытием для различных значений радиуса частиц, длины томас-фермиевского экранирования и постоянного затухания плазмонов с учетом вырожденности электронного газа сферической металлической нанооболочки (или кора — в случае инверсной системы). Определен набор резонансных частот плазмонного спектра нанокомпозита в случае свободных колебаний электронного газа металлического компонента системы. Получены частотные зависимости действительной и мнимой частей дипольной поляризуемости биметаллического сферического нанокомпозита для различных значений параметров системы с учетом вырожденности электронного газа ядра и оболочки. На основе определенных ранее индивидуальных поляризационных характеристик нанокомпозитов впервые вычислены аналогичные тензорные характеристики двухчастичных нанокластеров, составленных из однородных металлических наночастиц-сфероидов и частиц-нанокомпозитов. Вычислены индуцированные наноантеннами плазмонного резонанса добавки к скорости безызлучательного переноса энергии электронного возбуждения между молекулами органических люминофоров, размещенных вблизи нанокомпозита.

Статьи:

1. Kucherenko M.G., Stepanov V.N., Kruchinin N.Yu. Intermolecular Nonradiative Energy Transfer in Clusters with Plasmonic Nanoparticles // ISSN 0030_400X, Optics and Spectroscopy, 2015. Vol. 118. No. 1, pp. 103–110. © Pleiades Publishing, Ltd., 2015. Original Russian Text © M.G. Kucherenko, V.N. Stepanoov, N.Yu. Kruchinin, 2015, published in Optika i Spektroskopiya, 2015. Vol. 118. No. 1, pp. 107–114. SCOPUS.
   Кучеренко М.Г. Межмолекулярный безызлучательный перенос энергии в кластерах с плазмонными наночастицами / М.Г. Кучеренко, В.Н. Степанов, Н.Ю. Кручинин // Оптика и спектроскопия. 2015. Т. 118. № 1. С. 107–114.
2. Chmereva T.M., Kucherenko M.G., Dmitriev A.D. Quenching of Excited Electronic States of Quantum Dots by a Metallic Nanowire // Optics and Spectroscopy. 2015. Vol. 118. No. 2, pp. 284–289. © Pleiades Publishing, Ltd., 2015. Original Russian Text © T.M. Chmereva, M.G. Kucherenko, A.D. Dmitriev, 2015, published in Optika i Spektroskopiya, 2015. Vol. 118. No. 2, pp. 300–306. SCOPUS.
   Чмерева Т.М. Тушение электронно-возбужденных состояний квантовых точек металлической нанопроволокой / Т.М. Чмерева, М.Г. Кучеренко, А.Д. Дмитриев // Оптика и спектроскопия. 2015. Т. 118. № 2. С. 300–306.
3. Kucherenko M.G. Absorption and spontaneous emission of light by molecules near metal nanoparticles in external magnetic field / M.G. Kucherenko, V.M. Nalbandyan // Physics Procedia 73 (2015). 136–142. Doi: 10.1016/j.phpro.2015.09.134 © 2015 The Authors. Published by Elsevier B.V. SCOPUS.
4. Кучеренко М.Г., Кучеренко М.А. О двух эволюционных моделях с нелокальной квадратичной нелинейностью // Вестник ОГУ. 2015. № 4 (179). С. 216–223.
5. Кучеренко М.Г. Спиновая динамика когерентных триплет-дублетных пар селективно реагирующих молекул во внешнем магнитном поле / М.Г. Кучеренко, С.А. Пеньков // Химическая физика и мезоскопия. 2015. Т. 17. № 3. С. 437–448.
6. Кучеренко М.Г., Чмерева Т.М. Безызлучательная трансформация энергии электронного возбуждения в многослойных планарных наноструктурах "металл — диэлектрик" // Вестник ОГУ. 2015. № 9 (184). С. 45–53.

Материалы конференций и тезисы:

1. Кучеренко М.Г., Налбандян В.М. Поглощение и спонтанное излучение света молекулой вблизи металлической наночастицы во внешнем магнитном поле // IV Международ. конф. по фотонике и информ. оптике: Сб. науч. тр. М.: НИЯУ МИФИ, 2015. 392 с. С. 244–245.
2. Измоденова С.В., Кислов Д.А., Кучеренко М.Г. Влияние серебряных наночастиц на скорость безызлучательного переноса энергии электронного возбуждения между молекулами внутри обратных мицелл // IV Международ. конф. по фотонике и информ. оптике: Сб. науч. тр. М.: НИЯУ МИФИ, 2015. 392 с. С. 254–255.
3. Кучеренко М.Г., Русинов А.П. Интерференционные эффекты молекулярного поглощения света вблизи сферической металлической наночастицы // IV Международ. конф. по фотонике и информ. оптике: Сб. науч. тр. М.: НИЯУ МИФИ, 2015. 392 с. С. 336–337.
4. Кучеренко М.Г., Налбандян В.М. Спектры дипольной поляризуемости кластеров из двух проводящих наночастиц с вырожденным электронным газом // В сб.: Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры: Материалы всеросс. науч.-метод. конф. (с международ. участием). Оренбург, 2015. С. 1084–1090.
5. Кучеренко М.Г., Русинов А.П. Влияние металлической наночастицы на процессы дезактивации электронно-возбужденного состояния молекулы // В сб.: Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры: Материалы всеросс. науч.-метод. конф. (с международ. участием). Оренбург, 2015. С. 1091–1096.
6. Кучеренко М.Г., Чмерева Т.М. Экситон-плазмонное взаимодействие в системе "полупроводниковая квантовая нить — сферическая металлокомпозитная наночастица" // В сб.: Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры: Материалы всеросс. науч.-метод. конф. (с международ. участием). Оренбург, 2015. С. 1097–1106.
7. Чмерева Т.М., Кучеренко М.Г., Курмангалеев К.С. Взаимодействие френкелевских экситонов пленки j-агрегатов с поверхностными плазмонами металлической подложки // В сб.: Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры: Материалы всеросс. науч.-метод. конф. (с международ. участием). Оренбург, 2015. С. 1123–1129.
8. Чмерева Т.М., Кучеренко М.Г., Дмитриев А.Д. Экситон-плазмонное взаимодействие в системе "квантовая точка — металлическая нанопроволока" // В сб.: Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры: Материалы всеросс. науч.-метод. конф. (с международ. участием). Оренбург, 2015. С. 1130–1137.
9. Кучеренко М.Г. Плазмонные резонансы в нанокомпозитах с вырожденным электронным газом металлических компонентов и их проявление в фотонике гибридных систем // Материалы 9-й Международ. науч. конф. "Хаос и структуры в нелинейных системах. Теория и эксперимент", посвящ. 90-летию акад. Е.А. Букетова. Казахстан, Караганда, 18–20 июня 2015 г. С. 49–54.
10. Налбандян В.М., Кучеренко М.Г. Сечение поглощения двухчастичного кластера из проводящих слоистых наночастиц с вырожденным электронным газом // Материалы 9-й Международ. науч. конф. "Хаос и структуры в нелинейных системах. Теория и эксперимент", посвящ. 90-летию акад. Е.А. Букетова. Казахстан, Караганда, 18–20 июня 2015 г. С. 525–530.
11. Кучеренко М.Г., Кислов Д.А. Эффекты локально-плазмонного изменения скорости межмолекулярного безызлучательного переноса энергии в пористой среде // Материалы Международ. науч. конф. "Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации", посвящ. 60-летию ОГУ. 15–17 сентября 2015 г. Часть 4. С. 155–161.
12. Кучеренко М.Г., Пеньков С.А. Спин-селективные реакции и спиновая динамика когерентных триплет-триплетных и триплет-дублетных пар молекул в магнитном поле // Материалы Международ. науч. конф. "Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации", посвящ. 60-летию ОГУ. 15–17 сентября 2015 г. Часть 4. С. 161–167.
13. Кучеренко М.Г., Русинов А.П., Налбандян В.М. Люминесценция молекул вблизи слоистых сферических нанокомпозитов с экситон-плазмонной связью // Материалы Международ. науч. конф. "Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации", посвящ. 60-летию ОГУ. 15–17 сентября 2015 г. Часть 4. С. 167–173.
14. Кучеренко М.Г., Налбандян В.М. Особенности молекулярной люминесценции гибридных наноструктур, определяемые электродипольной поляризуемостью частиц и их кластеров в магнитном поле // Материалы Международ. науч. конф. "Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации", посвящ. 60-летию ОГУ. 15–17 сентября 2015 г. Часть 4. С. 174–180.
15. Кучеренко М.Г., Пеньков С.А. Эффекты магнитного поля спин-селективных реакций триплетных молекул в наноструктурах с бистабильными состояниями // Тез. докл. XXVII Всеросс. науч. симп. "Современная химическая физика". Туапсе. 2015. 367 с. 20 сентября — 1 октября. С. 290.
16. Налбандян В.М., Кучеренко М.Г. Люминесценция и безызлучательный перенос энергии от молекулы к металлической наночастице во внешнем магнитном поле // Сб. тр. IX Международ. конф. молодых ученых и специалистов "Оптика-2015" / Под ред. проф. В.Г. Беспалова, проф. С.А. Козлова. СПб: Университет ИТМО, 2015. 717 с.