Випуски $\rightarrow$ Том 27, випуск 1 (2026)

Плазмонні явища в металічних та метал-діелектричних призматичних наночастинках

ПАВЛИЩЕ Н.І.$^{1}$, КОРОТУН А.В.$^{1,2}$

$^1$Національний університет «Запорізька політехніка», вул. Університетська, 64, 69011 Запоріжжя, Україна
$^2$Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, бульв. Академіка Вернадського, 36, 03142 Київ, Україна

Отримано / остаточна версія 13.01.2026 / 04.02.2026 Завантажити PDF logo PDF

Анотація
Досліджуються оптичні та плазмонні властивості металічних і метал-діелектричних нанопризм, основою яких є рівнобічний трикутник. Задля одержання співвідношень для частотних залежностей оптичних характеристик досліджуваних наночастинок використовується підхід еквівалентного сфероїда. Проведено розрахунки частотних залежностей діягональних компонент тензорів поляризовности, підсилення електричних полів, спектральної добротности, добротности, а також перерізу екстинкції та радіяційної ефективности. Одержано розмірні залежності частот поперечного та поздовжнього поверхневих плазмонних резонансів, наведено відповідні оцінки. Доведено наявність значного розщеплення поверхневого плазмонного резонансу, наведено відповідні оцінки. Проаналізовано вплив товщини діелектричного шару та розмірів металевого ядра призматичної форми на поведінку досліджуваних оптичних характеристик наноструктури. Продемонстровано вплив матеріялів ядра й оболонки призми на положення максимумів перерізу екстинкції. Визначено спектральний діяпазон, в якому радіяційна ефективність досліджуваних наноструктур близька до одиниці. Проведено порівняння діягональних компонент тензорних оптичних характеристик між собою та встановлено причину домінування поперечних компонент тензорів підсилення електричних полів, добротности та спектральної добротности над відповідними поздовжніми компонентами. Обговорюються можливості застосування проаналізованих наноструктур для створення сенсорів поверхневого плазмонного резонансу та високодобротних оптичних нанорезонаторів.

Ключові слова: металічна та метал-діелектрична нанопризми, діелектричний тензор, тензор поляризовности, підхід еквівалентного сфероїда, поверхневий плазмонний резонанс, тензори посилення полів, добротности та спектральної добротности, переріз екстинкції.

DOI: https://doi.org/10.15407/ufm.27.01.003

Citation: N.I. Pavlyshche and A.V. Korotun, Plasmonic Phenomena in Metallic and Metal–Dielectric Prismatic Nanoparticles, Progress in Physics of Metals, 27, No. 1: 3–24 (2026)

Цитована література   
  1. C.F. Bohren and D.R. Huffman, Absorption and Scattering of Light by Small Particles (New York: Wiley-VCH: 1998), p. 545; https://doi.org/10.1002/9783527618156
  2. S.A. Maier, Plasmonics: Fundamentals and Applications (New York: Springer, 2007), p. 224; https://doi.org/10.1007/0-387-37825-1
  3. V. Klimov, Nanoplasmonics (New York: Jenny Stanford Publishing: 2013) p. 598; https://doi.org/10.1201/b15442
  4. H. Xu, Nanophotonics: Manipulating Light with Plasmons (Jenny Stanford Publishing, 2017), p. 250; https://doi.org/10.1201/9781315196619
  5. A.O. Koval, A.V. Korotun, Yu.A. Kunytskyi, V.A. Tatarenko and I.M. Titov, Electrodynamics of Plasmon Effects in Nanomaterials (Kyiv: Naukova Dumka: 2021), p. 344 (in Ukrainian).
  6. N.L. Dmitruk and S.Z. Malinich, Ukr. J. Phys., 9, No. 1: 3 (2014) (in Ukrainian).
  7. V. Amendola, R. Pilot, M. Frasconi, O.M. Maragò, and M.A. Iatì, J. Phys.: Condens. Matter, 29, No. 20: 203002 (2017); https://doi.org/10.1088/1361-648X/aa60f3
  8. Q. Duan, Y. Liu, S. Chang, H. Chen, and J.-H. Chen, Sensors, 21, No. 16: 5262 (2021); https://doi.org/10.3390/s21165262
  9. K.L. Kelly, E. Coronado, L.L. Zhao, and G.C. Schatz, J. Phys. Chem. B, 107, No. 3: 668 (2003); https://doi.org/10.1021/jp026731y
  10. N. Malikova, B. Pastoriza-Santos, M. Schierhorn, N.A. Kotov, and L.M. Liz-Marzán, Langmuir, 18, No. 9: 3694 (2002); https://doi.org/10.1021/la025563y
  11. I. Zoric, M. Zach, B. Kasemo, and C. Langhammer, ACS Nano, 5, No. 4: 2535 (2011); https://doi.org/10.1021/nn102166t
  12. A.V. Korotun and N.I. Pavlishche, Anisotropy of the optical properties of metal nanodisks, Optics and Spectroscopy, 130, No. 4: 269 (2022); https://doi.org/10.1134/S0030400X22040075
  13. J. Pérez-Juste, I. Pastoriza-Santos, L.M. Liz-Marzán, and P. Mulvaney, Gold nanorods: synthesis, characterization, and applications, Coord. Chem. Rev., 249, Nos. 17–18: 1870 (2005); https://doi.org/10.1016/j.ccr.2005.01.030
  14. A.V. Korotun, Ya.V. Karandas, and V.I. Reva, Analytical theory of plasmon effects in rod-like metal nanoparticles. The equivalent-spheroid model, Ukr. J. Phys., 67, No. 12: 849 (2022); https://doi.org/10.15407/ujpe67.12.849
  15. B.L. Sanchez-Gaytan, Z. Qian, S.P. Hastings, M.L. Reca, Z. Fakhraai, and S.-J. Park, J. Phys. Chem. C, 116, No. 18: 10318 (2012); https://doi.org/10.1021/jp300009b
  16. A.V. Korotun, A.A. Koval’, and I.N. Titov, Optical absorption of a composite based on bilayer metal–dielectric spherical nanoparticles, J. Appl. Spectrosc., 87: 240 (2020); https://doi.org/10.1007/s10812-020-00991-7
  17. S.E. Skrabalak, L. Au, X. Li, and Y. Xia, Nat. Protoc., 2: 2182 (2007); https://doi.org/10.1038/nprot.2007.326
  18. Y. Zhou, H. Li, G. Zhang, D. Wei, L. Zhang, Y. Meng, X. Zheng, X. Sun, and D.Yu, Phys. Chem. Chem. Phys., 22, No. 35: 19932 (2020); https://doi.org/10.1039/d0cp03470c
  19. A.V. Korotun, More on the size effects on the spectral figure of merit and enhancement of the local fields in the neighborhood of biconical and bipyramidal metallic nanoparticles, Low Temp. Phys., 51, No. 1: 133 (2025); https://doi.org/10.1063/10.0034658
  20. M.M. Shahjamali, Y. Zhou, N. Zaraee, C. Ma, G.C. Schatz, and T.W. Odom, ACS Nano, 10, No. 5: 5362 (2016); https://doi.org/10.1021/acsnano.6b01532
  21. J.E. Millstone, S.J. Hurst, and G.S. Métraux, Small, 5, No. 6: 646 (2009); https://doi.org/10.1002/smll.200801480
  22. P.B. Johnson and R.W. Christy, Phys. Rev. B, 6, No. 12: 4370 (1972); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.6.4370
  23. K. Sugawa, D. Yamaguchi, N. Tsunenari, K. Uchida, H. Tahara, H. Takeda, K. Tokuda, N. Aoki, K. Yamazaki, N. Takeshima, S. Wakisaka, Y. Kusaka, H. Takekuma, M. Mitsuishi, J. Otsuki, T. Miyashita, and N. Hayazawa, ACS Appl. Mater. Interfaces, 9, No. 1: 750 (2016); https://doi.org/10.1021/acsami.6b13147
  24. F. Wang and Y.R. Shen, Phys. Rev. Lett., 97, No. 20: 206806 (2006); https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.206806
  25. J. Otsuki, K. Sugawa, and S. Jin, Mater. Adv., 2, No. 1: 32 (2021); https://doi.org/10.1039/d0ma00644k
  26. J.S. Googasian and S.E. Skrabalak, ACS Phys. Chem. Au, 3, No. 3: 252 (2023); https://doi.org/10.1021/acsphyschemau.2c00064
  27. D.E. Charles, D. Aherne, M. Gara, D.M. Ledwith, Y.K. Gun’ko, J.M. Kelly, W.J. Blau, and M.E. Brennan-Fournet, ACS Nano, 4, No. 1: 55 (2009); https://doi.org/10.1021/nn9016235
  28. D.E. Charles, M. Gara, D. Aherne, D.M. Ledwith, Y.K. Gun’ko, J.M. Kelly, W.J. Blau, and M.E. Brennan-Fournet, Plasmonics, 6, No. 2: 351 (2011); https://doi.org/10.1007/s11468-011-9211-x
  29. B. Hazra and M. Chandra, ACS Sens., 1, No. 5: 536 (2016); https://doi.org/10.1021/acssensors.5b00314
  30. P. Bhatia, S.S. Verma, and M.M. Sinha, Photonic Sens., 9, No. 3: 246 (2019); https://doi.org/10.1007/s13320-019-0547-8
  31. F. Sun, L. Chen, K. Zhang, and F. Fang, Plasmonics, 15, No. 4: 949 (2020); https://doi.org/10.1007/s11468-019-01115-4
  32. T.-R. Liu, Y. Jiang, C. Qin, S. Jiang, Y. Jiao, X. Zhang, and L. Xiao, Plasmonics, 8, No. 2: 885 (2013); https://doi.org/10.1007/s11468-013-9486-1
  33. A. Azarian and F. Babaei, J. Appl. Phys., 119, No. 20: 203103 (2016); https://doi.org/10.1063/1.4952580
  34. Z. He, Z. Li, C. Li, W. Xue, and W. Cui, Opt. Express, 28, No. 12: 17595 (2020); https://doi.org/10.1364/oe.395640
  35. K. Akiyoshi, Y.Y. Tanaka, T. Ishida, T. Shimura, and T. Tatsuma, ACS Appl. Nano Mater., 1, No. 11: 5994 (2018); https://doi.org/10.1021/acsanm.8b01829
  36. M. Rippa, R. Castagna, S. Brandi, G. Fusco, M. Monini, D. Chen, J. Zhou, J. Zyss, and L. Petti, ACS Appl. Nano Mater., 3, No. 5: 4837 (2020); https://doi.org/10.1021/acsanm.0c00872
  37. A.V. Korotun, A.O. Koval, and V.I. Reva, Optical absorption of composite with bilayer nanoparticles, J. Phys. Stud., 23, No. 2: 2603 (2019); https://doi.org/10.30970/jps.23.2603
  38. A.V. Korotun, A.A. Koval’, and V.I. Reva, Absorption of electromagnetic radiation by oxide-coated spherical metal nanoparticles, J. Appl. Spectrosc., 86, No. 4: 606 (2019); https://doi.org/10.1007/s10812-019-00866-6
  39. A.V. Korotun, and A.A. Koval’, Optical properties of spherical metal nanoparticles coated with an oxide layer, Opt. Spectrosc., 127, No. 6: 1161 (2019); https://doi.org/10.1134/S0030400X19120117
  40. Ya.V. Karandas, Plasmonic effects in rod-like metal-dielectric nanoparticles, Condens. Matter Phys., 27, No. 2: 23701 (2024); https://doi.org/10.5488/cmp.27.23701
  41. A. Korotun and N. Pavlyshche, Optical absorption of a composite with randomly distributed metallic inclusions of various shapes, Funct. Mater., 29, No. 4: 567 (2022); https://doi.org/10.15407/fm29.04.567
  42. N.I. Pavlyshche, A.V. Korotun, V.P. Kurbatsky, and V.I. Reva, Plasmon phenomena in metal–dielectric nanodiscs. An equivalent-spheroid approach, Ukr. J. Phys., 70, No. 4: 263 (2025); https://doi.org/10.15407/UJPE70.4.263
  43. M.S. Maniuk, A.V. Korotun, and V.P. Kurbatsky, Optical response of a chain of oblate metal nanospheroids on a dielectric substrate, Low Temp. Phys., 51, No. 1: 143 (2025); https://doi.org/10.1063/10.0034659
  44. Y. Xiong, J.M. McLellan, J. Chen, Y. Yin, Z.-Y. Li, and Y. Xia, J. Am. Chem. Soc., 127, No. 48: 17118 (2005); https://doi.org/10.1021/ja056498s
  45. I. Pastoriza-Santos, A. Sánchez-Iglesias, B. Rodríguez-González, and L.M. Liz-Marzán, Small, 5, No. 4: 440 (2009); https://doi.org/10.1002/smll.200801088
  46. Q. Zhang, J. Ge, T. Pham, J. Goebl, Y. Hu, Z. Lu, and Y. Yin, Angew. Chem., Int. Ed., 48, No. 19: 3516 (2009); https://doi.org/10.1002/anie.200900545
  47. Y.S. Park and H.K. Chae, Chem. Mater., 22, No. 23: 6280 (2010); https://doi.org/10.1021/cm101961g
  48. X. Huang, S. Tang, X. Mu, Y. Dai, G. Chen, Z. Zhou, F. Ruan, Z. Yang, and N. Zheng, Nat. Nanotechnol., 6, 28 (2011); https://doi.org/10.1038/nnano.2010.235
  49. A. Losquin, L.F. Zagonel, V. Myroshnychenko, B. Rodríguez-González, M. Tencé, L. Scarabelli, J. Förstner, L.M. Liz-Marzán, F.J. García de Abajo, O. Stéphan, and M. Kociak, Nano Lett., 15, No. 2: 1229 (2015); https://doi.org/10.1021/nl5043775
  50. F. Qin, X. Cui, Q. Ruan, Y. Lai, J. Wang, H. Ma, and H.-Q. Lin, Nanoscale, 8, No. 40: 17645 (2016); https://doi.org/10.1039/C6NR06387J
  51. Y. Li, Y. Yan, Y. Li, H. Zhang, D. Li, and D. Yang, CrystEngComm, 17, No. 8: 1833 (2015); https://doi.org/10.1039/C4CE02062F
  52. K.W. Smith, J. Yang, T. Hernandez, D.F. Swearer, L. Scarabelli, H. Zhang, H. Zhao, N.A. Moringo, W.-S. Chang, L.M. Liz-Marzán, E. Ringe, P. Nordlander, and S. Link, J. Phys. Chem. C, 122, No. 25: 13259 (2018); https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b08428
  53. J. Dey, B. Hazra, and M. Chandra, J. Chem. Phys., 151, No. 11: 114307 (2019); https://doi.org/10.1063/1.5116528
  54. X. Cui, Y. Lai, F. Qin, L. Shao, J. Wang, and H.-Q. Lin, Nanoscale, 12, No. 3: 1975 (2020); https://doi.org/10.1039/C9NR09976J
  55. Y. Zhou, J. Zhu, W. Huang, Z. Wang, K. Li, and W. Huang, Results in Physics, 56, 107314 (2024); https://doi.org/10.1016/j.rinp.2023.107314
  56. A.V. Korotun, H.V. Moroz, and R.Yu. Korolkov, Q-factor of plasmonic resonances and field enhancement in the vicinity of spherical metallic nanoparticles, Funct. Mater., 31, No. 1: 119 (2024); https://doi.org/10.15407/fm31.01.119

Ліцензія Creative Commons
Цю статтю ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons із зазначенням авторства — без похідних 4.0 Міжнародна
© Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України,