Розмірні залежності Гамакерова параметра та вільної енергії Ван-дер-Ваальсової взаємодії для системи двох сферичних металевих наночастинок

Н. А. Смирнова$^{1}$, А. В. Коротун$^{1}$, І. М. Тітов$^{2}$

$^{1}$Національний університет «Запорізька політехніка», вул. Жуковського, 64, 69063 Запоріжжя, Україна
$^{2}$UAD Systems, вул. Олександрівська, 84, 69002 Запоріжжя, Україна

Отримано: 09.11.2021; остаточний варіант - 12.03.2022. Завантажити: PDF

В рамках моделю Друде для діелектричної функції та з урахуванням об’ємного та поверхневого механізмів релаксації одержано вирази для розмірних залежностей Гамакерова параметра та вільної енергії Ван-дер-Ваальсової взаємодії сферичних металевих наночастинок. Показано, що розбіжність в одержаних співвідношеннях не має жодних наслідків, оскільки значення параметрів, за яких має місце «ультрафіолетова катастрофа», відповідають ситуаціям, які не представляють практичного інтересу. Розрахунки Гамакерова параметра та вільної енергії проводилися для наночастинок золота, міді, платини й алюмінію різних радіюсів, розташованих на різних віддалях одна від одної, в області частот, що має практичний інтерес. Встановлено, що розмірні ефекти найбільш яскраво проявляються на відносно невеликих віддалях між металевими частинками, тоді як зі збільшенням віддалі між ними має місце істотне послаблення Ван-дер-Ваальсової взаємодії. Продемонстровано, що істотна відмінність у величині ефективної швидкости релаксації має наслідком той факт, що Гамакерів параметер для частинок різних металів сягає максимуму за різних розмірів частинок. З’ясовано, що для наночастинок досліджуваних металів зі збільшенням радіюса зменшується величина вільної енергії, проте для всіх металів, крім золота, це зменшення є незначним, що пояснюється різним внеском поверхневого розсіяння у ефективну швидкість релаксації. Доведено, що кількісні й якісні розбіжності результатів розрахунків для наночастинок різних металів пов’язані з різною об’ємною концентрацією електронів провідности (різною частотою об’ємних плазмонів) і відмінностями у значеннях швидкости об’ємної релаксації.

Ключові слова: Гамакерів параметер, Ван-дер-Ваальсова взаємодія, металева наночастинка, розмірні ефекти, вільна енергія, швидкість релаксації.

URL: https://mfint.imp.kiev.ua/ua/abstract/v44/i05/0587.html

PACS: 34.20.Cf, 68.35.Np, 68.65.-k, 73.20.Qt, 73.50.Bk


ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА
  1. M. Kuno, Introductory Nanoscience: Physical and Chemical Concepts (Garland Science: 2012). Crossref
  2. C. F. Bohren and D. R. Huffman, Absorption and Scattering of Light by Small Particles (Wiley-VCH: 2004).
  3. A. O. Koval, A. V. Korotun, Yu. A. Kunytskyi, V. A. Tatarenko, and I. M. Titov, Ehlektrodynamika Plazmonnykh Ehfektiv u Nnanomaterialakh (Kyiv: Naukova Dumka: 2021) (in Ukrainian).
  4. A. O. Pinchuk, G. C. Schatz, A. Reinholdt, and U. Kreibig J., J. Nanotechn. Res., 1, No. 3: 229 (2009).
  5. A. V. Korotun and N. I. Pavlyshche, Phys. Met. Metallogr., 122: 941 (2021) (in Russian). Crossref
  6. B. Faure, G. Salazar-Alvarez, and L. Bergström, Langmuir, 27, No. 14: 8659 (2011). Crossref
  7. A. O. Pinchuk, Phys. Chem., 116, No. 37: 20099 (2012). Crossref
  8. Luo Yaxue, Gao Xiaodan, Tian Rui, and Li J. Hang, J. Phys. Chem. C, 122: 9432 (2018). Crossref
  9. J. N. Israelachvili and G. E. Adams. J. Chem. Soc., Faraday Transactions, 74: 975 (1978). Crossref
  10. S. Das, P. A. Sreeram, and A. K. Raychaudhuri, Nanotechn., 1, No. 18: 035501 (2007). Crossref
  11. R. G. Horn, D. R. Clarke, and M. T. Clarkson, J. Mater. Res., 3: 413 (1988). Crossref
  12. R. D. Rodriguez, E. Lacaze, and J. Jupille, Ultramicroscopy, 121: 25 (2012). Crossref
  13. A. I. Gómez-Merino, F. J. Rubio-Hernández, J. F. Velázquez-Navarro, F. J. Galindo-Rosales, and P. Fortes-Quesada, J. Colloid and Interf. Sc., 316: 451 (2007). Crossref
  14. A. F. Nikiforov and V. B. Uvarov, Spetsial’nye Funktsii Matematicheskoy Fiziki [Special Functions of Mathematical Physics] (Moscow: Nauka: 1984) (in Russian)
  15. U. Kreibig and M. Volmer, Optical Properties of Metal Clusters (Berlin: Springer: 1995). Crossref
  16. N. I. Grigorchuk and P. M. Tomchuk, Phys. Rev. B, 84: 085448 (2011). Crossref
  17. Yu. S. Barash, Sily Van-der-Vaal’sa [Van der Waals Forces] (Moscow: Nauka: 1988) (in Russian).
  18. A. V. Korotun, A. A. Koval’, and I. N. Titov, J. Appl. Spectrosc., 87, No. 2: 224 (2020) (in Russian). Crossref