[論文レビュー] Evaluation of effective medium theories for spherical nano-shells

Yael Gutiérrez, Dolores Ortiz+5 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2017

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 20被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、放射効果を極効率球の極効率に組み込み、正確なミエ散乱係数を用いることで、従来のモデルを改善した球状コアシェルナノ粒子の新しい有効媒質理論を提案する。この手法は、特に厚いシェルを有する誘電体金属系コアシェル系において、従来の理論（特にマクスウェル＝ガーネットおよびブルーゲルマン理論）を上回り、光触媒および太陽エネルギー応用分野におけるプラズモン共鳴の予測を向上させる。

ABSTRACT

Current effective medium theories for nano-shells are reviewed. A new method for calculating the effective dielectric function of a core-shell nanoparticle is presented and compared with existing theories showing clear advantages in most conditions. It consists of introducing radiating effects in the polariz- ability of the effective sphere, and considering the exact polarizability of the core-shell constructed from the Mie scattering coefficient. This new approach can be considered as an useful tool for designing coated particles with desired plasmonic properties and engineering the effective permittivity of composites with core-shell type inclusions which are used in photocatalysis and solar energy harvesting applications.

研究の動機と目的

• 球状コアシェルナノ粒子の既存有効媒質理論（EMT）を評価・改善すること。
• 古典的EMTの限界、特に静電的近似に依存することと、非球形または複雑な誘電的応答に対して性能が低いことに対処すること。
• さまざまなシェル厚さおよび材料組み合わせにおいて、コアシェルNPの有効誘電関数を正確に予測できる新しいEMTを開発すること。
• 金属酸化物および金属金属コアシェル系の両方において、正確なミエ理論解と比較して、新手法の妥当性を検証すること。
• 光触媒および太陽エネルギー収集用途における、ナノコンpositesの有効誘電率のより良い設計を可能にすること。

提案手法

• 従来のEMTで用いられる静電的近似を越えて、極効率球の極効率に放射効果を組み込む。
• 正確なミエ散乱係数から導かれた極効率を用いてコアシェル構造をモデル化し、電磁的応答の正確な表現を確保する。
• ミエ理論に基づいた体積加重平均を用いて、コアおよびシェル材料の誘電関数を組み合わせ、有効誘電関数を計算する。
• さまざまなコア半径およびシェル厚さを有するコアシェル系にこの手法を適用し、消光効率（Q_ext）についてミエ理論と比較する。
• 誘電体金属系（Mg/MgO、Al/Al₂O₃）および金属金属系（Mg/Ga、Al/Ga）の両方にこの手法を適用し、材料クラスを越えた頑健性を評価する。
• 理論的予測は、ナノ粒子のサイズおよび組成の範囲で、消光スペクトル（Q_ext）を正確なミエ解と比較することによって検証される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 新規有効媒質理論は、マクスウェル＝ガーネット、ブルーゲルマン、加重平均などの既存モデルと比較して、コアシェルナノ粒子の消光効率予測においてどのように異なるか？
• RQ2 新手法は、誘電体金属系および金属金属系コアシェル系において、どのような条件下で従来のEMTを上回るか？
• RQ3 シェル厚さの変化、特に薄いシェルから厚いシェルへの遷移において、新手法の性能はどのように変化するか？
• RQ4 純粋に静電的近似と比較して、放射効果の組み込みが正確性をどの程度向上させるか？
• RQ5 新手法は、光触媒および太陽エネルギー利用応用におけるコアシェルNPのプラズモン共鳴を信頼性高く予測できるか？

主な発見

• 提案手法は、Mg/MgO や Al/Al₂O₃ などの誘電体金属系コアシェルNPに対して、特に厚いシェルを有する場合、従来のEMT（特にマクスウェル＝ガーネットおよびブルーゲルマン理論）を著しく上回る。
• シェル厚さが2–3 nmを超えると、新手法はマクスウェル＝ガーネット理論よりも消光効率（Q_ext）共鳴ピークをより正確に予測する。
• コアサイズの変動にわたって、双極子プラズモン応答を極めて正確に捉えており、正確なミエ解からのずれが最小限に抑えられる。
• 金属金属系コアシェル（例：Mg/Ga、Al/Ga）では、誘電率が類似している場合、マクスウェル＝ガーネット理論がより優れた性能を示すが、新手法は他のEMTよりもより正確である。
• 新手法は静電的近似を越えて有効であるため、放射効果および高次モーメントモードのより良いモデル化が可能である。
• 強力な非一様電場分布および非局所効果が顕著な系では、従来のEMTが失敗するが、本手法はそれらに対しても有効であり、紫外線プラズモン工学およびナノコンposites設計に適している。