Size-dependent complex dielectric function of Ni, Mo, W, Pb, Zn and Na nanoparticles. Application to sizing

Abstract

This work determines the size dependent metal nanoparticle (NP) dielectric function from a 'top-down' approach using the bulk experimental refractive index as a starting point. Freeelectron damping constant (γ free) and plasma frequency (ω p) parameters in the Drude model are calculated for nickel (Ni), molybdenum (Mo), tungsten (W), lead (Pb), zinc (Zn) and sodium (Na) using a method developed in our group. Determined γ free and ω p parameters allow to develop an expression that improves the precision in reproducing the discrete metal bulk dielectric function in a wide wavelength range (UV-FIR). The bulk dielectric function is modified for describing the nanometric case by adding size corrective terms for free and bound electrons contributions. As an application of this study we characterize Ni spherical NPs synthesized by ultrafast laser ablation of a solid target in water. Using Mie theory together with the size-dependent dielectric function, we theoretically reproduce its experimental extinction spectrum. From this fitting, composition and size distribution of the particles in the colloidal suspension may be derived. Transmission electron microscopy (TEM) results agree with the sizes and structure derived from optical extinction spectroscopy (OES).

Quantum Confinement Effects on the Near Field Enhancement in Metallic Nanoparticles

“…These underlaying assumptions show how this so-called Drude model considers the relevant electrons as completely classical particles. However, in despite of such a limitation, that approach has been regularly used to describe plasmonic behavior in nanoparticles [33,34,35,36,37].…”

Near-field infrared microscopy of nanometer-sized nickel clusters inside single-walled carbon nanotubes

“…The Drude model parameters for nickel were taken from ref. 22. These parameters were used in the EFDM model to calculate the 3rd harmonic demodulated near-eld phase contrast of nickel nanoparticles compared to the silicon substrate versus the aspect ratio of the nanoparticle (L/D).…”

Caracterización de suspensiones coloidales de nanopartículas metálicas sintetizadas por ablación láser de pulsos ultracortos

“…Para el caso de NPs con radios menores a 20 nm, la función dieléctrica compleja se hace dependiente del tamaño y se Capítulo 1 -Introducción 6 modela a través de la introducción de un término aditivo a libre que depende inversamente del radio de la NP y por otro lado, debe considerarse la contribución de transiciones de electrones ligados que también depende del tamaño de la NP. De esta forma, la función dieléctrica en la nanoescala se puede escribir como la suma de tres términos: la función dieléctrica experimental para tamaños bulk junto con dos términos correctivos por tamaño, uno debido a los electrones libres (transiciones intrabanda) y el otro a los electrones ligados (transiciones interbandas) [70,76].…”

“…1. )[76], y los parámetros de Drude tomados de Mendoza Herrera et al[129]. La Figura 4.3 exhibe los espectros de extinción experimentales normalizados de los coloides sintetizados por FLASiS con 100 μJ y 500 μJ de energía por pulso, y sus respectivos ajustes teóricos.…”

“…Además, el método mejoró las incertidumbres relativas en los valores determinados (0,5 -1,6% para p y 3 -8% para libre ), aumentando la precisión en la descripción de la función dieléctrica en un enfoque top-down. Como ejemplo, se mostraron los resultados para Ni, Mo, W, Pb, Zn y Na[76], donde las funciones dieléctricas complejas bulk calculadas mostraron mejor comportamiento que las determinadas por otros autores. De la misma forma se determinaros estos parámetros para otros metales como Au, Ag, Cu, Fe, Pt, Ti, Ta, Al y V[129,137].…”