E5 Optische Eigenschaften: Oberflächenplasmon

Thema

Das Auftreffen von sichtbarem Licht auf dieses metallische Nanopartikel regt eine kollektive Schwingung seiner Leitungselektronen an. Das oszillierende elektrische Feld dieses Lichts bewirkt, dass sich die Leitungselektronen gemeinsam über das Nanopartikel hin und her bewegen. Dabei entfernen sie sich periodisch von den positiven Ionen des Kristallgitters, die sie hinterlassen, und werden durch die elektrostatische Kraft, die durch diese Bewegung entsteht, wieder zu ihnen zurückgezogen. Bei höherer Intensität des auf das Nanopartikel treffenden Lichts verstärkt sich diese kollektive Schwingung der Leitungselektronen.

Diese kollektive Schwingung der Leitungselektronen gerät mit dem sichtbaren Licht in Resonanz und bildet das Oberflächenplasmon des Nanopartikels, wenn die Frequenz des einfallenden Lichts gemäß der Fröhlich-Resonanzbedingung mit der Eigenfrequenz dieser Schwingung übereinstimmt. Die Fröhlich-Resonanzbedingung bestimmt diese Eigenfrequenz anhand der Dielektrizitätskonstante des Metalls und des umgebenden Mediums. Eine andere Dielektrizitätskonstante des umgebenden Mediums führt gemäß der Fröhlich-Resonanzbedingung zu einer anderen Frequenz des Oberflächenplasmons.

Dieses Modell, das die kollektive Schwingung der Leitungselektronen und das Oberflächenplasmon beschreibt, mit dem es angeregt wurde, bestimmt daher die beobachtete Farbe der kolloidalen Suspension über den Extinktionsquerschnitt, der in dipolarer Näherung durch die Mie-Theorie beschrieben wird. Dieser Extinktionsquerschnitt ist genau bei der Frequenz des Oberflächenplasmons maximal. Genau diese Frequenz der maximalen Extinktion bestimmt, welche Farbe des einfallenden sichtbaren Lichts von dem metallischen Nanopartikel hauptsächlich absorbiert oder gestreut wird und somit welche Farbe in der kolloidalen Suspension mit bloßem Auge sichtbar ist. Die Tatsache, dass dieses Oberflächenplasmon mit der durch die Fröhlich-Resonanzbedingung bereits festgelegten Frequenz experimentell durch ein anderes Modell dieser Gruppe nachgewiesen wird – nämlich durch das Modell, das mittels UV-Vis-Spektroskopie die Verschiebung dieses Plasmonenpeaks in Abhängigkeit von der Größe des Nanopartikels aufzeichnet – bedeutet, dass dieses Modell sowohl die Existenz dieses Oberflächenplasmons als auch seine Abhängigkeit von der Größe direkt bestätigt.

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