Ukrainian Journal of Physical Optics


2026 Volume 27, Issue 1


ISSN 1816-2002 (Online), ISSN 1609-1833 (Print)

MORPHOLOGICAL ENGINEERING OF PLASMONIC NANOSTRUCTURES: SIMULATION OF OPTICAL RESPONSE FOR NANOPARTICLES WITH BASIC GEOMETRIES

T. Bulavinets, V. Grokhotov, I. Helzhynskyy, B. Bulavinets, P. Stakhira and I. Yaremchuk

Author Information
T. Bulavinets ORCID logo SCOPUS logo, V. Grokhotov ORCID logo, I. Helzhynskyy SCOPUS logo ORCID logo, B. Bulavinets ORCID logo SCOPUS logo, *P. Stakhira ORCID logo SCOPUS logo, I. Yaremchuk ORCID logo SCOPUS logo
Lviv Polytechnic National University, Stepana Bandery Str., 12, 79000, Lviv, Ukraine
*Corresponding author: pavlo.y.stakhira@lpnu.ua

ABSTRACT

A systematic numerical study of the plasmonic properties of metal nanoparticles with basic geometries (ellipsoidal, cubic, cylindrical, and prismatic) was conducted using the discrete dipole approximation. It has been demonstrated that the optical response of all anisotropic nanoparticles is critically dependent on spatial orientation. The positions of plasmon resonances can be tuned over a wide wavelength range by varying geometric parameters. The universal physical mechanisms that determine plasmonic behavior have been identified. These include the dependence of resonance on the depolarization factor, field localization in regions of maximum curvature, multimodal resonances for complex geometries, and size-dependent radiative damping. These results provide the scientific background for the morphological engineering of plasmonic nanostructures with optimized characteristics for use in optoelectronic, sensor, and spectroscopic applications.

Keywords: localized surface plasmon resonance, nanoparticles, discrete dipole method, electric field localization

UDC: 621.38.049.77; 621.375.82.01

    1. Krishchenko, I. M., Manoilov, E. G., Kravchenko, S. A., & Snopok, B. A. (2020). Resonant optical phenomena in heterogeneous plasmon nanostructures of noble metals: a review. Theoretical and Experimental Chemistry, 56(2), 67-110.
      doi:10.1007/s11237-020-09642-6
    2. Li, M., Cushing, S. K., & Wu, N. (2015). Plasmon-enhanced optical sensors: a review. Analyst, 140(2), 386-406.
      doi:10.1039/C4AN01079E
    3. Lv, S., Du, Y., Wu, F., Cai, Y., & Zhou, T. (2022). Review on LSPR assisted photocatalysis: effects of physical fields and opportunities in multifield decoupling. Nanoscale Advances, 4(12), 2608-2631.
      doi:10.1039/D2NA00140C
    4. Khani, S., & Rezaei, P. (2024). Optical sensors based on plasmonic nano-structures: A review. Heliyon, 10(24).
      doi:10.1016/j.heliyon.2024.e40923
    5. Khurana, K., & Jaggi, N. (2021). Localized surface plasmonic properties of Au and Ag nanoparticles for sensors: a review. Plasmonics, 16(4), 981-999.
      doi:10.1007/s11468-021-01381-1
    6. Ashrafi, T. M. S., & Mohanty, G. (2025). Surface plasmon resonance sensors: a critical review of recent advances, market analysis, and future directions. Plasmonics, 1-21.
      doi:10.1007/s11468-024-02740-4
    7. Wei, Y., Qin, M., Liu, Y., Jia, X., Zhou, J., & Wang, G. (2025, February). Easily prepared and high-performance AgNPs as SERS substrates for trace thiram detection. In Journal of Physics: Conference Series, 2961(1), 012006.
      doi:10.1088/1742-6596/2961/1/012006
    8. Zhang, Z., Liu, C., Dong, J., Zhu, A., An, C., Wang, D., Xue, M., Shijiing, Y.,& Zhang, Y. (2024). Self-Referenced Au Nanoparticles-Coated Glass Wafers for In Situ SERS Monitoring of Cell Secretion. ACS sensors, 9(8), 4154-4165.
      doi:10.1021/acssensors.4c01092
    9. Araujo, P. F., Fernandes, R. S., Neto, O. F., Flauzino, E., de Souza, M. A., & Balaban, R. C. (2025). A new SERS substrate: Ag-nanoparticles immobilized on glass for rapid scale inhibitor determination− Theoretical and experimental approach. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 341, 126442.
      doi:10.1016/j.saa.2025.126442
    10. Meškinis, Š., Peckus, D., Vasiliauskas, A., Čiegis, A., Gudaitis, R., Tamulevičius, T., Yaremchuk, I. & Tamulevičius, S. (2017). Photovoltaic properties and ultrafast plasmon relaxation dynamics of diamond-like carbon nanocomposite films with embedded Ag nanoparticles. Nanoscale Research Letters, 12(1), 288.
      doi:10.1186/s11671-017-2065-1
    11. Bulavinets, T., Yaremchuk, I., Bobitski, Y., & Barylyak, A. (2023). Synthesis and photocatalytic efficiency of plasmonic Ag/TiO2: S nanosystems. Applied Nanoscience, 13(7), 4693-4699.
      doi:10.1007/s13204-022-02593-5
    12. Naseef, H. H., Al-Haddad, A., Albarazanchi, A. K., Jaafar, A., & Veres, M. (2025). Deep investigation of absorption enhancement through embedded plasmonic nanostructure into photovoltaics cells. Plasmonics, 20(7), 4671-4678.
      doi:10.1007/s11468-024-02662-1
    13. Hang, Y., Wang, A., & Wu, N. (2024). Plasmonic silver and gold nanoparticles: shape-and structure-modulated plasmonic functionality for point-of-caring sensing, bio-imaging and medical therapy. Chemical Society Reviews, 53(6), 2932-2971.
      doi:10.1039/D3CS00793F
    14. Bulavinets, T., Kulpa-Greszta, M., Tomaszewska, A., Kus-Liśkiewicz, M., Bielatowicz, G., Yaremchuk, I., Barylyak, A., Bobitski, ya. & Pązik, R. (2020). Efficient NIR energy conversion of plasmonic silver nanostructures fabricated with the laser-assisted synthetic approach for endodontic applications. RSC Advances, 10(64), 38861-38872.
      doi:10.1039/D0RA06614A
    15. Waketola, A. G., Tegegne, N. A., & Hone, F. G. (2025). Recent Progress in Silver and Gold Nanoparticle-Based Plasmonic Organic Solar Cells. Plasmonics, 20(7), 5521-5556.
      doi:10.1007/s11468-024-02430-1
    16. Kim, D. H., & Kim, T. W. (2016). Enhancement of the current efficiency of organic light-emitting devices due to the surface plasmonic resonance effect of dodecanethilol-functionalized Au nanoparticles. Organic Electronics, 34, 262-266.
      doi:10.1016/j.orgel.2016.04.034
    17. Georgiopoulou, Z., Verykios, A., Soultati, A., Chroneos, A., Hiskia, A., Aidinis, K., Skandamis, P.N., Gounadaki, A.S., Karatasios, I., Triantis, T.D., Argitis, P., Palilis, L.C. & Vasilopoulou, M. (2024). Plasmonic enhanced OLED efficiency upon silver-polyoxometalate core-shell nanoparticle integration into the hole injection/transport layer. Scientific Reports, 14(1), 28888.
      doi:10.1038/s41598-024-79977-w
    18. Kang, K., Byeon, I., Kim, Y. G., Choi, J. R., & Kim, D. (2024). Nanostructures in Organic Light‐Emitting Diodes: Principles and Recent Advances in the Light Extraction Strategy. Laser & Photonics Reviews, 18(8), 2400547.
      doi:10.1002/lpor.202400547
    19. Liu, J., Meng, Z., & Zhou, J. (2024). High electric field enhancement induced by modal coupling for a plasmonic dimer array on a metallic Film. Photonics, 11(2), 183.
      doi:10.3390/photonics11020183
    20. Ammara, A., Abbas, G., Pepe, F. V., Afzaal, M., Qamar, M., & Ghuffar, A. (2023). The influence of substrate on the optical properties of gold nanoslits. Journal of Imaging, 9(12), 269.
      doi:10.3390/jimaging9120269
    21. Šubr, M., Petr, M., Kylián, O., Štěpánek, J., Veis, M., & Procházka, M. (2017). Anisotropic optical response of silver nanorod arrays: surface enhanced raman scattering polarization and angular dependences confronted with ellipsometric parameters. Scientific Reports, 7(1), 4293.
      doi:10.1038/s41598-017-04565-0
    22. Tiandho, Y., Septiani, N. L. W., Gumilar, G., Jonuarti, R., & Yuliarto, B. (2023). High-Performance Refractive Index-Based Sensor Using Ellipsoid Ag–Au Nanoparticles. IEEE Sensors Journal, 23(9), 9390-9401.
      doi:10.1109/JSEN.2022.3233905
    23. Perrakis, G., Kakavelakis, G., Kenanakis, G., Petridis, C., Stratakis, E., Kafesaki, M., & Kymakis, E. (2019). Efficient and environmental-friendly perovskite solar cells via embedding plasmonic nanoparticles: an optical simulation study on realistic device architectures. Optics Express, 27(22), 31144-31163.
      doi:10.1364/OE.27.031144
    24. Mahmoud, M. A., Narayanan, R., & El-Sayed, M. A. (2013). Enhancing colloidal metallic nanocatalysis: sharp edges and corners for solid nanoparticles and cage effect for hollow ones. Accounts of Chemical Research, 46(8), 1795-1805.
      doi:10.1021/ar3002359
    25. Dabiri, M., Fazli, H., Salarinejad, N., & Movahed, S. K. (2021). Pd nanoparticles supported on cubic shaped ZIF-based materials and their catalytic activates in organic reactions. Materials Research Bulletin, 133, 111015.
      doi:10.1016/j.materresbull.2020.111015
    26. Downing, C. A., & Weick, G. (2020). Plasmonic modes in cylindrical nanoparticles and dimers. Proceedings of the Royal Society A, 476(2244), 20200530.
      doi:10.1098/rspa.2020.0530
    27. Magarotto, M., Schenato, L., Franchin, G., Santagiustina, M., Galtarossa, A., & Capobianco, A. D. (2024). Cylindrical waveguides for microwave spoof surface plasmon polaritons. IEEE Access, 12, 23190-23199.
      doi:10.1109/ACCESS.2024.3363412
    28. Minh Ngo, H., Drobnyh, E., Sukharev, M., Khuong Vo, Q., Zyss, J., & Ledoux-Rak, I. (2023). High yield synthesis and quadratic nonlinearities of gold nanoprisms in solution: The role of corner sharpness. Israel Journal of Chemistry, 63(12), e202200009.
      doi:10.1002/ijch.202200009
    29. Bulavinets, T., Rokhiv, V., Akopian, V., Bulavinets, B., Hladun, M., & Yaremchuk, I. (2025). Impact of shape on plasmon resonance in single silver nanoparticles: theoretical study. Molecular Crystals and Liquid Crystals, 1-12.
      doi:10.1080/15421406.2025.2521883
    30. Yan, Z., Taylor, M. G., Mascareno, A., & Mpourmpakis, G. (2018). Size-, shape-, and composition-dependent model for metal nanoparticle stability prediction. Nano Letters, 18(4), 2696-2704.
      doi:10.1021/acs.nanolett.8b00670
    31. Dorodnyy, A., Smajic, J., & Leuthold, J. (2023). Mie scattering for photonic devices. Laser & Photonics Reviews, 17(9), 2300055.
      doi:10.1002/lpor.202300055
    32. Teixeira, F. L., Sarris, C., Zhang, Y., Na, D. Y., Berenger, J. P., Su, Y., Okoniewski M., Chew W.C., Backman V., Simpson, J. J. (2023). Finite-difference time-domain methods. Nature Reviews Methods Primers, 3(1), 75.
      doi:10.1038/s43586-023-00257-4
    33. Ogáyar, M. P., López-Méndez, R., Figueruelo-Campanero, I., Munoz-Ortiz, T., Wilhelm, C., Jaque, D., Espinosa A., Serrano, A. (2024). Finite element modeling of plasmonic resonances in photothermal gold nanoparticles embedded in cells. Nanoscale Advances, 6(18), 4635-4646.
      doi:10.1039/D4NA00247D
    34. Chaumet, P. C. (2022). The discrete dipole approximation: A review. Mathematics, 10(17), 3049.
      doi:10.3390/math10173049
    35. Arslanyürek, Ş., & Dinleyici, M. S. (2025). Functional manipulation of nonspherical nanoparticles with cascaded reconfigurable modules. Optics Communications, 132097.
      doi:10.1016/j.optcom.2025.132097
    36. Sorensen, L. K., Gerasimov, V. S., Karpov, S. V., & Agren, H. (2024). Development of discrete interaction models for ultra-fine nanoparticle plasmonics. Physical Chemistry Chemical Physics, 26(37), 24209-24245.
      doi:10.1039/D4CP00778F
    37. Palik, E. D. (Ed.). (1998). Handbook of optical constants of solids (Vol. 3). Academic press.
    38. Draine, B. T., & Flatau, P. J. User Guide for the Discrete Dipole Approximation Code DDSCAT 7.1 (2010). Available from: http. arXiv. org/abs/1202.3424.
    39. Yurkin, M. A., & Hoekstra, A. G. (2007). The discrete dipole approximation: an overview and recent developments. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 106(1-3), 558-589.
      doi:10.1016/j.jqsrt.2007.01.034
    40. Zayats, A. V., Smolyaninov, I. I., & Maradudin, A. A. (2005). Nano-optics of surface plasmon polaritons. Physics reports, 408(3-4), 131-314.
      doi:10.1016/j.physrep.2004.11.001
    41. Collins, S. M., Ringe, E., Duchamp, M., Saghi, Z., Dunin-Borkowski, R. E., & Midgley, P. A. (2015). Eigenmode tomography of surface charge oscillations of plasmonic nanoparticles by electron energy loss spectroscopy. ACS photonics, 2(11), 1628-1635.
      doi:10.1021/acsphotonics.5b00421
    42. Grigorchuk, N. I. (2012). Radiative damping of surface plasmon resonance in spheroidal metallic nanoparticle embedded in a dielectric medium. Journal of the Optical Society of America B, 29(12), 3404-3411.
      doi:10.1364/JOSAB.29.003404
    43. Halas, N. J., Lal, S., Chang, W. S., Link, S., & Nordlander, P. (2011). Plasmons in strongly coupled metallic nanostructures. Chemical Reviews, 111(6), 3913-3961.
      doi:10.1021/cr200061k
    44. Sun, S., Chen, H. T., Zheng, W. J., & Guo, G. Y. (2013). Dispersion relation, propagation length and mode conversion of surface plasmon polaritons in silver double-nanowire systems. Optics Express, 21(12), 14591-14605.
      doi:10.1364/OE.21.014591
    45. Yu, H., Peng, Y., Yang, Y., & Li, Z. Y. (2019). Plasmon-enhanced light–matter interactions and applications. npj Computational Materials, 5(1), 45.
      doi:10.1038/s41524-019-0184-1

    Системне чисельне дослідження плазмонних властивостей металевих наночастинок базових геометрій, а саме еліпсоїдальної, кубічної, циліндричної та призматичної проведено методом дискретної дипольної апроксимації. Встановлено, що спектральне положення локалізованих поверхневих плазмонних резонансів має виражену анізотропію з можливістю широкосмугового налаштування (від видимого до ближнього інфрачервоного діапазону) шляхом варіювання морфологічних параметрів та орієнтації частинок відносно напрямку поширення електромагнітної хвилі. Аналіз просторового розподілу ближнього поля виявив закономірності локалізації електромагнітного поля в зонах з максимальною кривизною поверхні, що корелює з появою областей значного підсилення. Показано, що резонансна поведінка анізотропних наноструктур визначається сукупністю взаємопов'язаних факторів: тензором коефіцієнтів деполяризації, що визначає спектральне положення дипольних мод; виникненням мультипольних резонансів вищих порядків для геометрій зі складною симетрією; а також розмірно-залежним радіаційним загасанням. Отримані результати формують фундаментальну базу для раціонального дизайну плазмонних наночастинок із заданими оптичними характеристиками для застосувань в оптоелектроніці, сенсориці, та спектроскопії.

    Ключові слова: локалізований поверхневий плазмонний резонанс, наночастинки, метод дискретної дипольної апроксимації, локалізація електричного поля

Free download this article 

This work is licensed under CC BY 4.0