Фемтосекундная спектроскопия фотовозбужденных наночастиц золота в коллоидных растворах и мезопористых пленках TiO2 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.17, кандидат физико-математических наук Костров, Андрей Николаевич

• Костров, Андрей Николаевич
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Костров, Андрей Николаевич

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1 Общее представление о плазмонном резонансе.

1.2 Диэлектрическая проницаемость металлических наночастиц.

1.3 Фемтосекундная динамика электронов в металлических. наночастицах.

1.4 Теория дифференциальных спектров поглощения наночастиц золота.

1.5 Двухтемпературная модель электронной релаксации.28'

1.6 Эффект поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии.

SERS).

1.7 Эффект переноса электрона на границе фаз металл-диэлектрик.33'<

Глава 2. Экспериментальная часть.38'

2.1 Экспериментальная установка.

2.2 Приготовление экспериментальных образцов.

2.2.1 Приготовление коллоида золотых наночастиц в СНС1з.

2.2.2 Приготовление Т1О2 мезопористых пленок.42.*

Глава 3. Возбуждение когерентных колебательных волновых пакетов в коллоиде золотых наночастиц в хлороформе фемтосекундными импульсами.

3.1 Исследование дифференциальных спектров поглощения Au коллоида в хлороформе.

3.2 Фурье анализ осцилляций в кривых BI(t) и ÀA(A,,t) для хлороформа и для Au коллоида в хлороформе.

3.3 Обсуждение результатов.

Глава 4. Релаксационные процессы в фотовозбужденных наночастицах золота в водном коллоиде и в мезопористых пленках Т1О2.

Глава 5. Перенос электронов в системе на основе мезопористой пленки диоксида титана с фотодепонированными на нее наночастицами. золота.

Глава 6. Концентрационно-температурная модель релаксации фотовозбужденных наночастиц золота.

6.1 Температурная модель.

6.2 Концентрационная модель.

6.3 Зависимость сдвига пика поглощения системы Аи/ТЮг от изменения диэлектрической проницаемости матрицы (ТЮ2).

6.4 Моделирование дифференциального спектра релаксации фотовозбужденных частиц золота.

Заключение диссертации по теме «Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва», Костров, Андрей Николаевич

Заключение

В заключении приведем в краткой форме основные выводы диссертационной работы:

1. Показано, что при возбуждении фемтосекундными импульсами хлороформа и коллоидного раствора наночастиц золота в хлороформе наблюдаются осцилляции в сигнале дифференциального поглощения

АА(Л,(). Основные моды осцилляций для. обеих систем совпадают с частотами рамановских резонансов хлороформа 260 см"1, 367 см"1 и 668 -1 см .

2. Установлено, что в коллоидном растворе наночастиц золота в хлороформе происходит 4-6 кратное усиление амплитуды осцилляций на частотах рамановского резонанса в сигнале дифференциального поглощения АЛ (X, 0 по сравнению с системой чистого хлороформа. Показано, что усиление интенсивности осцилляций связано с эффектом усиления в ближнем поле наночастиц.

3. Установлено, что релаксационные процессы оптических дифференциальных спектров Аи наночастиц в воде и в матрице широкозонного полупроводника ТЮ2 существенно различаются. Показано, что различие обусловлено эффектами переноса электронов между Аи наночастицей и ТЮг при возбуждении плазмонного резонанса золотых наночастиц.

4. Показано, что при возбуждении системы ТЮ2/Аи светом видимого диапазона, соответствующим полосе плазмонного резонанса для частиц металла, наблюдается перенос электрона из наночастицы Аи в зону проводимости ТЮ2 В качестве модельной реакции была исследована реакция восстановления метилвиологена МУ2+ до МУ+ электроном из зоны проводимости диоксида титана. Квантовый выход реакции составил Y = 1,2%.

5. Предложен механизм релаксации возбужденных состояний в наночастицах Au, помещенных в матрицу широкозонного полупроводника ТЮ2. Механизм учитывает зависимость е(со) от температуры электронной и фононной подсистем металла и изменения концентрации электронов в золотой наночастице вследствие переноса электронов от Au наночастиц в зону проводимости ТЮг.

Благодарности

Выражаю глубокую благодарность своему научному руководителю Надточенко Виктору Андреевичу. Благодарю Саркисова Олега Михайловича, Низову Галину Викторовну, Шелаева Ивана, Гостева Федора и Горенберга Андрея. Благодарю Айбушева Арсения за помощь в проведении FDTD расчетов, которые были сделаны на суперкомпьютере «Чебышёв» CK МГУ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Костров, Андрей Николаевич, 2011 год

1. Le Ru, Eric С., Principles of Surface Enhanced Raman Spectroscopy and relatedplasmonic effects //Elsevier, 2009

2. G. Mie, Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungenll Ann. Phys., 1908, 25, pp. 377-445

3. Bohren C.F. and D.R. Huffman, Absorption and Scattering of Light by Small Particles// John Wiley. New York. NY. 1983.

4. U. Kreibig and P. Zacharias. Surface plasma resonances in small spherical silver and gold particle// Z. Physik, 1970, 231, pp. 128-143.

5. D. Pines., Collective energy losses in solids// Rev. Mod. Phys., 1956, 28, pp 184-199.

6. R. H. Ritchie, Plasma losses by fast electrons in thin films// Phys. Rev., 1957, 106, pp. 874-881.

7. C. J. Powell and J. B. Swan, Origin of the characteristic electron energy losses in aluminium//. Phys. Rev., 1959, 115, pp. 869-875.

8. E. A. Stern and R. A. Ferrell, Surface plasma oscillations of a degenerate electron gas//Phys. Rev., 1960, 120, pp.130-136.

9. Stefan Mayer, Plasmonics: fundamental and applications!7 Springer, 2007.

10. M. Barma, V. Subrahmanyam Optical absorbtion in small metal particles //J. Phys.: condens. matter, 1989, V. 1, p. 7681.

11. M. Quinten, Optical constants of gold and silver clusters in the spectral range between 1.5 eVand 4.5 eVU Zeitschrift fur PhysikB., 1996, 101,pp. 211-217

12. R. D. Averitt, S. L. Westcott, and N. J. Halas J., Ultrafast optical properties of gold nanoshells// Opt. Soc. Am. B., 1999,16, 1814-1823.

13. C. Voisin, N. Del Fatti, D. Christofilos, and F. Valle'e, Ultrafast electron dynamics and optical nonlinearities in metal nanoparticles!7 J. Phys. Chem. B., 2001, 105, 2264-2280.

14. A. Melikyan, H. Minassyan On surface Plasmon damping in metallic nanoparticles // Appl. Phys. B, 2004, V. 78, p. 453

15. H. Seferyan, R. Zadoyan, A. Work et al, Diagnostics of spectrally Resolved Transient Absorbtion: Surface Plasmon Resonance of metal nanoparticles!7 J. Phys. Chem. C., 2007, V. 111, p. 18525.

16. R. Rosei, Temperature modulation of the optical transitions involving the Fermi surface in Ag; theory// Phys. Rev. B., 1973,10,474-483.

17. Widerrecht G. P., Wurtz G. A., Hranisavjevic J., Coherent coupling of molecular excitons to electronic polarization of noble metal nanoparticles!7 Nanoletters, 2004,4, 2121-2125.

18. J. Ingleseed, E. Plummer, in Angle-Resolved Photoemission: Theory and cureent applications (Ed. S D Kevan)//ElsGviGr, Amsterdam, 1992

19. Elsayed-Ali, H. E.; Norris, T. B.; Pessot, M. A.; Mourou, G. A., Time-resolved observation of electron-phonon relaxation in copper// Phys. ReV. Lett. 1987, 58, pp. 1212-1215.

20. Schoenlein, R. W.; Lin, W. Z.; Fujimoto, J. G.; Eesley, Femtosecond studies of nonequilibrium electronic processes in metals// G. L. Phys.

21. ReV. Lett., 1987,58, pp. 1680-1683.

22. Sun, C. K.; Valle'e, F.; Acioli, L. H.; Ippen, E. P.; Fujimoto, J. G. Femtosecond-tunable measurement of electron thermalization in gold// Phys. ReV. B, 1994, 50, pp. 15337-15348.

23. Groeneveld, R.; Sprik, R.; Lagendijk, Femtosecond spectroscopy of electron-electron and electron-phonon energy relaxation in Ag ana Aa// Phys. ReV. B 1995, 51, pp. 11433-11445.

24. Brorson, S. D.; Kazeroonian, A.; Modera, J. S, et al., Femtosecond room-temperature measurement of the electron-phonon coupling constant y in metallic superconductors// Phys. ReV. Lett., 1998, 64, pp. 2172-2175.

25. El Sayed-Ali, H. E.; Juhasz, T.; Smith, G. O.; Bron, W. E. Femtosecond thermoreflectivity and thermotransmissivity of polycrystalline and single-crystalline gold films// Phys. ReV. B, 1991, 43, pp. 4488-4491.

26. Del Fatti, N.; Bouffanais, R.; Valle'e, F.; Flytzanis, Nonequilibrium electron interactions in metal films// C. Phys. ReV. Lett., 1998, 81, pp. 922-925.

27. Del Fatti, N.; Voisin, C.; Achermann, M.; Tzortzalcis, S.; Christofilos, D.; Valle'e, F. Nonequilibrium electron dynamics in noble metals// Phys. ReV. B.,2000,61, pp. 16956-16966.

28. Tokizaki, T.; Nakamura, A.; Kavelo, S.; Uchida, K.; Omi, S.; Tanji, H.; Asahara Y., Subpicosecond time response of third-order optical nonlinearity of small copper particles in glass// Appl. Phys. Lett. 1994, 65, 941-943.

29. J.-Y. Bigot, V. Halte, J.-C. Merle, and A. Daunois, Electron dynamics in metallic nanoparticles// Chem. Phys., 2000,251,pp. 181-203.

30. Zhang, J. Z. Ultrafast studies of electron dynamics in semiconductor and metal colloidal nanoparticles: Effects of size and surface// Acc. Chem. Res., 1997, 30, pp. 423-429.

31. Nisoli, M.; Stagira, S.; De Silvestri, S.; Stella, A.; Tognini, P.; Cheyssac, P.; Kofman, R., Ultrafast electron dynamics in solid and liquid gallium nanoparticles//Phys. ReV. Lett., 1997, 78, 3575-3578.

32. Perner, M.; Bost, P.; Lemmer, U.; von Plessen, G.; Feldmann, J.; Becker, U.; Mennig, M.; Schmitt, M.; Schmidt, H., Optically induced damping of the surface Plasmon resonance in gold colloids//Phys. ReV. Lett., 1997, 78, 2192-2195.

33. Inouye, H.; Tanaka, K.; Tanahashi, I.; Hirao, K., Ultrafast dynamics of nonequilibrium electrons in a gold nanoparticles system// Phys. ReV. B., 1998,57, 11334-11340.

34. Hamanaka, Y.; Nakamura, A.; Omi, S.; Del Fatti, N.; Valle'e, F.; Flytzanis, C., Ultrafast response of nonlinear refractive index of silver nanocrystals embedded in glass// Appl. Phys. Lett. 1999, 75, pp. 1712-1714.

35. Del Fatti, N.; Valle'e, F.; Flytzanis, C.; Hamanaka, Y.; Nakamura, A., Electron dynamics and surface plasmon resonance nonlinearities in metal nanoparticles// Chem. Phys., 2000,251, pp. 215-226.

36. Hodak, J. H.; Martini, I.; Hartland, G. V. Effect of structure on electron transfer reactions between antracene dyes and Ti02 nanoparticles// J. Phys. Chem. B 1998, 102, pp. 9508-9517.

37. Hodak, J. H.; Henglein, A.; Hartland, G. V. Photophysics of nanometer sized metal particles: electron—phonon coupling and coherent excitation of breathing vibrational modes!I J. Chem. Phys. B., 2000, 104,pp. 9954-9965.

38. Link, S.; El-Sayed, M. A. Spectral properties and relaxation dynamics of surface plasmon electronic oscillations in gold and silver nanodots and nanorod// J. Phys. Chem. B 1999, 103, pp. 8410-8426.

39. Voisin, C.; Christofilos, D.; Del Fatti, N.; Valle e, F.; Pre'vel, B.; Cottancin, E.; Lerme', J.; Pellarin, M.; Broyer, M. Size-Dependent Electron-Electron Interactions in MetalNanoparticles// Phys. ReV. Lett. 2000, 85, pp. 2200-2203.

40. Beaurepaire, E.; Merle, J. C.; Daunois, A.; Bigot, J. Y. Ultrafast spin dynamics in ferromagnetic nickel// Phys. ReV. Lett. 1996, 76,4250-4253.

41. Hohlfeld, J.; Matthias, E.; Knorren, R.; Bennemann, K. H. Nonequilibrium magnetization dynamics of nickel// Phys. ReV. Lett. 1997, 78,4861-4864.

42. Ju, G.; Vertikov, A.; Nurmikko, A. V.; Canady, C.; Xia, G.; Farrow, R. F. C.; Cebollada, A. Ultrafast nonequilibrium spin dynamics in a ferromagnetic thin films//Phys. ReV. B 1998, 57, R700.

43. E. Beaurepaire, G.M. Turner, S.M. Harrel, M.C. Beard, J.-Y. Bigot,and C.A. Schmuttenmaer, Coherent terahertz emission from ferromagnetic films excited by femtosecond laser pulses// Appl. Phys. Lett., 2004, 84,pp. 3465-3467.

44. Brorson, S. D.; Fujimoto, J. G.; Ippen, E. P. Femtosecond Electronic Heat-Transport Dynamics in Thin Gold Films// Phys. ReV. Lett., 1987, 59, pp.19621965.

45. Suarez, C.; Bron, W. E.; Juhasz, T. Dynamics and Transport of Electronic Carriers in Thin Gold Films//Phys. ReV. Lett. 1995, 75,pp. 4536-4539.

46. H. Inouye and K. Tanaka Ultrafast dynamics of nonequilibrium electrons in a gold nanoparticle system// Phys. Rev. B, 1998, 57, pp. 11334-11340

47. R. D. Averitt, D. Sarlcar, and N. J. Halas, Plasmon resonance shifts of Au-coated Au2S nanoshells: insight into multicomponent nanoparticle growth// Phys. Rev. Lett., 1997,78,4217-4220.

48. S. J. Oldenburg, R. D. Averitt, S. L. Westcott, and N. J. Halas, Nanoengineering of optical resonances// Chem. Phys. Lett., 1998, 288,243-247.

49. R. D. Averitt, S. L. Westcott, and N. J. Halas, The linear optical properties of gold nanoshells// J. Opt. Soc. Am. B, 1999, 58, 1824-1832.

50. R. D. Averitt, S. L. Westcott, and N. J. Halas, Ultrafast electron dynamics in gold nanoshells// Phys. Rev. B, 1998, 58,10203-10206.

51. Hartland GV, Hu M, Wilson O, Mulvaney P, Sader JE, Coherent excitation of vibrational modes in gold nanorods //J. Phys. Chem B., 2002, 106, 743-747

52. Grant CD, Schwartzberg AM, Norman TJ, Zhang JZ Ultrafast electronic relaxation and coherent vibrational oscillations of strongly coupled gold nanoparticle aggregateIIJ Am Chem Soc, 2003 125, 549-553

53. S. Mukamel, Principles of Nonlinear Optical Spectroscopy!I, Oxford » University, New York, 1995.

54. Kovalenko S. A., Dobryakov A. L., Ruthmann J., Ernsting N. P. Femtosecond spectroscopy of condensed phases with chirped supercontinuum probing// PHYSICAL REVIEW A, 1999, V. 59, P. 2369

55. S. I. Anisimov, B. L. Kapeliovich, and T. L. Perel'man, Electron emission from metal surfaces exposed to ultrashort laser pulses// Sov. Phys. JETP, 1974, 39, 375- 377.

56. W. S. Fann, R. Storz, H. W. K. Tom, and J. Bokor, Direct measurement of nonequilibrium electron-energy distributions in subpicosecond laser-heated gold films//Phys. Rev. Lett., 1992, 68, 2834-2837.

57. M. I. Kaganov, I. M. Lifshitz, and L. V. Tanatarov, "Relaxation between electrons and the crystalline lattice," Sov. Phys. JETP, 1957, 4,173-178.

58. H. E. Elsayed-Ali, T. B. Norris, M. A. Pessot, and G. A. Mourou, Time-resolved observation of electron-phonon relaxation in copper// Phys. Rev. Lett.,1987, 58, 1212-1215.

59. R. W. Schoenlein, W. Z. Lin, J. G. Fujimoto, and G. L. Easley, Femtosecond studies of nonequilibrium electronic processes in metals// Phys. Rev. Lett., 1987, 58, 1680-1683.

60. C. K. Sun, F. Vallee, L. H. Acioli, E. P. Ippen, and J. G. Fujimoto, Femtosecond-tunable measurement of electron thermalization in gold// Phys. Rev. B: Condens. Matter, 1994, 50, 15337-15348.

61. M. Moskovits, Surface-enhanced spectroscopy// Rev. Mod. Phys., 1985, 57, 783-826.

62. R. G. Freeman, M. B. Hommer, K. C. Grabar, M. A. Jackson, and M. J. Natan, Ag-clad An nanoparticles—novel aggregation, optical, and surface-enhanced Raman scattering properties!/ J. Phys. Chem.,1996, 100, 718-724.

63. A. M. Ahem and R. L. Garrell, Protein-metal interactions in protein-colloid conjugates probed by surface-enhanced Raman spectroscopy// Langmuir, 1991, 7, 254-261.

64. M. Hidalgo, R. Monies, J. J. Laserna, and A. Ruperez, Surface-enhanced resonance Raman spectroscopy of 2-pyridylhydrazone and 1,10-phenanthroline chelate complexes with metal ions on colloidal silver// Anal. Chim. Acta, 1996, 318, 229-237.

65. P. Matejka, B. Vlckova, J. Vohlidal, P. Pancoska, and V. Baumruk, The role of Triton X-100 as an adsorbate and a molecidar spacer on the surface of silver colloid—a surface-enhanced Raman scattering study// J. Phys. Chem., 1992, 96, 1361-1366.

66. S. Schneider, P. Halbig, H. Grau, and U. Nickel, Reproducible preparation ofsilver sols with uniform particle size for application in surface-enhanced Ramanspectroscopy// Photochem. Photobiol., 1994, 60, 605-610.103

67. C. H. Munro, W. E. Smith, M. Garner, J. Clarkson, and P. C. White, Characterization of the surface of a citrate-reduced colloid optimized for use as a substrate for surface-enhanced resonance Raman scattering// Langmuir, 1995, 11, 3712-3720.

68. T. M. Cotton, J. H. Kim, and G. D. Chumanov, Application of surface-enhanced Raman spectroscopy to biological systems// J. Raman Spectrosc., 1991, 22,729-742.

69. C. Chen, A. de Castro, Y. Shen, Surface-Enhanced Second-Harmonic Generation//Phys. Rev. Lett., 1981, V.2, p. 145

70. I. Dmitruk, I. Blonskiy, I. Pavlov, O. Yeshchenko, A. Alexeenko, A. Dmytruk, P. Korenyuk, V. Kadan, Surface plasmon as a probe of local field enhancement// Plasmonics, 2009,4, 115-119.

71. M. Jakob, H. Levanon and P. V. Kamat, Charge distribution between UV-irradiated Ti02 and gold nanoparticles: determination of shift in the Fermi level// Nano Lett.,2003, 3, 353-358.

72. D. M. Schaadt, B. Feng and E. T. Yu, Enhanced semiconductor optical absorption via surface plasmon excitation in metal nanoparticles// Appl. Phys. Lett., 2005, 86, 1061-1063.

73. Fudjihima and K. Honda, Electrochemical Photolysis of water at a semiconductor electrode//Nature, 1972, V. 37, p.238

74. B. O'Regan, M. Gratzel, A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal Ti02films//~NaturQ, 1991, V.353, p.737

75. Bacsa R., Kiwi J. et al., Preparation,testing and characterization of doped Ti02 active in the peroxidation ofbiomolecules under visible light// J. Phys. Chem. B., 2005, V. 109, p. 5994

76. M. Haruta, N. Yamada, T. Kobayashi and S. Iijima, Gold catalysts prepared by coprecipitation for low-temperature oxidation of hydrogen and of carbon monoxide// J. Catal.,1989, 115,301-309.

77. Nadtochenko V.A., Rincon A.G., Stanca S.E., Kiwi J. Dynamics ofE.coli membrane cell peroxidation during Ti02photocatalysis studied by ATR-FTIR104spectroscopy and AFM microscopy// J. of Photochem. and Photobiol. A-Chemistry, 2005,169, pp. 131-137.

78. E. W. McFarland and J. Tang, A photovoltaic device structure based on internal electron emission// Nature, 2003, 421, 616-618.

79. J. Tang, H. Birkedal, E. W. McFarland and G. D. Stocky, Self-assembly of CdSe/CdS quantum dots by hydrogen bonding on Au surfaces for photoreception// Chem. Commun.,2003, 2278-2279.

80. H. X. Li, Z. F. Bian, J. Zhu, Y. N. Huo, H. Li, and Y. F. Lu, Mesoporous Au/Ti02 nanocomposites with enhanced photocatalytic activity// J. AM. CHEM. SOC., 2007,129,4538-4539.

81. A. Furube, L. C. Du, К. Нага, R. Katoh and M. Tachiya, Ultrafast plasmon-induced electron transfer from goldnanodots into ТЮ2 nanoparticles// J. AM. CHEM. SOC., 2009, 113, 6454-6462.

82. Y. Tian and T. Tatsuma, Mechanisms and applications of plasmon-induced charge separation at ТЮ2 films loaded with gold nanoparticles// J. AM. CHEM. SOC, 2005, 127, 7632-7637.

83. L. Du, A. Furube, K. Yamamoto, К. Hara, R. Katoh, M. Tachiya, Plasmon induced charge separation and recombination dynamics in gold-Ti02 nanoparticle systems dependence ofTi02 particle size // J. Phys. Chem, 2009, V. 113, p. 6454.

84. Костров A.H., Горенберг A.A., Надточенко B.A., Исследование структуры электронных ловушек в мезопористой пленке ТЮ2», XIXсимпозиум «Современная химическая физика // XIX симпозиум «Современная химическая физика», Туапсе, сентябрь 2007.

85. Shelaev I.V., Gostev F.E., Mamedov M.D., Sarkisov O.M., Nadtochenko V.N., Shuvalov V.A and Semenov A.Yu. Femtosecond primary charge separation in Synechocystis sp. PCC 6803 photosystem IH Biochim. Biophys. Acta, 2010, 1797, pp. 1410-1420.

86. M. Brust, M. Walker, D. Bethell, D. J. Synthesis of Thiol-derivatised Gold Nanoparticles in a Two-phase Liquid-Liqidd System!/ J. CHEM. SOC., CHEM. COMMUN., 1994, p. 801- 802.

87. Turkevich, J.; Stevenson, P. C.; Hillier, J. A study of the nucleation and growth processes in the synthesis of colloidal gold // Discuss. Faraday Soc. 1951, V. 11, P. 55.

88. G. Herzberg, Infrared and Raman Spectra of Polyatomic Molecules// Van Nostrand Reinhold Co., New York, 1945

89. W. Fuss and S. Weizbauer, Anharmonische Konstanten von SiHCl3 und CH03//Bqy. Bunsenges. Phys. Chem., 1995,99,289 -295.

90. M. Cho, M. Du, N. F. Scherer, G. Fleming, and S. Mukamel, Off-resonant transient birefringence in condensed phases// J. Chem. Phys., 1993, 99, 2410-2428.

91. Persson B.N.J. Polarizability of small spherical metal particles: influence of the matrix environment// Surface Science. 1993. V. 281. P. 153.

92. Hartland G.V. Coherent excitation of vibrational modes in metallic nanoparticles // Annu. Rev. Phys. Chem. 2006. 57. 403-430.

93. Kuznetsov A.I. , Kameneva O. , Rozes L. , Sanchez C., Bityurin N., A. Kanaev N. Extinction of photo-induced Ti 5+ centres in titanium oxide gels and gel-based oxo-PHEMA hybrids/1 Chemical Physics Letters 2006. V. 429. P. 523.