Propriet`a ottiche di singole nanoparticelle ... - Centri di Ricerca

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particolare, l’equipe FemtoNanoOptics dell’Università di Lione, in collaborazione con l’equipe aggregati e nanostrutture del LASIM, ha sviluppato un nuovo metodo in campo lontano che permette di studiare quantitativamente le proprietà ottiche di nanoparticelle singole: si parla di spettroscopia a modulazione spaziale (SMS). L’applicazione di questa tecnica apre numerose prospettive per lo studio delle proprietà di nanoparticelle di varia natura e rappresenta il filo conduttore dell’intero lavoro di tesi. Il presente elaborato è organizzato in sette capitoli. Nel primo capitolo vengono brevemente presentate le proprietà ottiche ed elettroniche dei metalli nobili allo stato massivo, mentre nel secondo vengono discussi gli effetti sulle suddette proprietà legati alla riduzione delle dimensioni. Se nei semiconduttori questi effetti sono di origine quantistica, nel caso dei metalli ci si limita ad una descrizione classica che, nel caso in cui le dimensioni del nano-oggetto superino qualche decina di nanometri, può risultare molto complessa per la comparsa di effetti multipolari. A questo aspetto è dedicato il terzo capitolo, nel quale viene sviluppata qualitativamente la teoria di Mie: essa cerca di modellizzare l’interazione onda-particella nel caso in cui, cadendo l’approssimazione quasi-statica, vadano prese in esame le variazioni spaziali del campo sulle dimensioni dell’oggetto. Come già sottolineato in precedenza, le proprietà ottiche di una nanoparticella metallica sono fortemente legate alle caratteristiche della risonanza del plasmone di superficie. Nel quarto capitolo vengono elencate le possibili dipendenze di questo picco di risonanza dalle proprietà della nanoparticella e dell’ambiente in cui essa è inserita. Il quinto capitolo è dedicato alla descrizione del set up sperimentale e della tecnica di misura (SMS) adottata in questo lavoro di tesi: dopo un primo paragrafo in cui viene presentato il principio fisico su cui si basa la SMS, verranno descritti in dettaglio l’apparato sperimentale, la tecnica di sintesi e le caratteristiche principali dei campioni analizzati. La presentazione, l’analisi e la discussione dei risultati sperimentali ottenuti nel corso di questo lavoro occupano interamente il sesto e ultimo capitolo. 5
Capitolo 1 Proprietà ottiche ed elettroniche dei metalli nobili 1.1 La struttura a bande dei metalli nobili I metalli nobili quali l’oro, l’argento e il rame, hanno una struttura elettronica molto simile tra loro: essi sono caratterizzati da orbitali d completi e da un singolo elettrone sull’orbitale più esterno s, come riassunto, insieme ad alcune altre proprietà, in tabella. Metallo Configurazione a(˚A) ne(x10 22 cm −3 ) m*/m0 EF (eV ) TF (K) Au [Xe]4f 14 5d 10 6s 1 4,07 5,90 1 5,53 64200 Ag [Kr]4d 10 5s 1 4,08 5,86 1 5,49 63800 Cu [Ar]3d 10 4s 1 3,61 8,47 1,5 4,67 54400 Tabella 1.1: configurazione elettronica, parametro reticolare, densità degli elettroni di conduzione, massa efficace, energia e temperatura di Fermi dei metalli nobili. In questo tipo di metalli gli atomi sono organizzati secondo un reticolo cristallino cubico a facce centrate (fcc). La loro struttura a bande presenta un insieme di cinque bande di valenza poco disperse, formate essenzialmente dagli orbitali atomici d (e per questo chiamate bande d), e da una banda di conduzione ibridizzata s-p, formata dagli orbitali di tipo s (con un solo elettrone ciascuno) e di tipo p (vuoti). Tutte le bande energetiche sono totalmente piene o vuote, ad eccezione della banda di conduzione che è riempita solo parzialmente. Gli elettroni presenti nella banda di conduzione (s-p) sono delocalizzati sul reticolo cristallino e possono essere considerati come quasi-liberi; l’influenza 6
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Ringraziamenti Al termine di questo
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