Перераспределение инфракрасного электромагнитного поля на графине димерами серебряных наночастиц

Аннотация

Используя эффект образного заряда на металлической пленке, падающий свет может быть сконцентрирован на поверхности пленки, когда димер металлических наночастиц позиционирован рядом. Это явление, называемое перераспределением электромагнитного поля, исследуется здесь впервые для гибрида серебряных наночастиц и монослойного графика. Методом конечных разностей во временной области (FDTD) показано, что в инфракрасном диапазоне поле концентрируется не только в межчастицый зазоре, но и на самом графитовом слое. Поверхностные зарядовые распределения, полученные методом конечных элементов, и поверхностно-усиленная Рамановская спектроскопия (SERS) корробируют результаты моделирования, подтверждая, что перераспределение движимо сильной связью между графеновыми плазмонами и образными зарядами на диэлектрической поверхности наночастиц. Эти выводы расширяют понимание плазмоники монослойного графика и открывают пути для инфракрасных фотонных устройств, эксплуатирующих световое замыкание на одноатомно-толстой платформе.

Введение

Графин, самый тонкий известный проводимый материал, предлагает исключительные электронные, тепловые и механические свойства, пронизившие его в разные приложения — от оптоэлектроники до энергохранения. Его способность замыкать электромагнитную энергию ниже дифракционного предела через поверхностные плазмоны стимулировало интенсивные исследования в плазмонике, лежащие в основе прогресса в SERS, сенсировании и катализе.

Гибридные структуры, комбинирующие графин с металлическими наночастицами, привлекли особый интерес. Обычно электромагнитное поле замыкается на металлических частицах, ограничивая взаимодействие с графином. Недавние работы на системах металлическая пленка-наночастица показывают, что индуцированные образные заряды могут перенаправлять поле на поверхность пленки — процесс, известный как перераспределение электромагнитного поля. В то время как наночастицы димеры усиливают замыкание относительно мономеров, эффект этого перераспределения на графине не исследовался до настоящего времени.

В данном исследовании исследуется распределение электромагнитных полей в мономерах и димерах серебряных наночастиц на монослойном графине, используя как численные симуляции, так и экспериментальные SERS измерения. Результаты показывают, что на инфракрасных длинах волны поле концентрируется на поверхности графика, поведение, атрибутируемое металлическому ответу графенового плазмона в этом спектральном диапазоне.

Методы/Эксперимент

Материалы и подготовка образцов

Серебряные наночастицы синтезировали восстановлением AgNO₃ боратом натрия в присутствии поливинилпирролидона (PVP). Монослойный графин растили на медных фольгах атмосферным CVD с 25% CH₄/H₂ потоком при 1000 °C 10–30 мин, затем переносили на Si подложки с PMMA поддержкой. Наночастицы затем депонировали на графин для формирования гибридных структур.

Параметры моделирования

Все электромагнитные анализы выполняли FDTD методом. Серебряный димер размещали на 1 нм выше графика, с 1 нм межчастицым зазором и 0,5 нм PVP покрытием. Плоские волны при 633, 2000 и 3000 нм нормально инцидировали со стороны наночастиц с амплитудой электрического поля 1 В·м⁻¹. Идеально-согласованные слои (PML) поглощали исходящие волны, а частотно-доменные мониторы захватывали распределение поля. Инцидентная поляризация выравнивалась вдоль оси димера для максимизации плазмонной связи.

Результаты и обсуждение

Рис. 1 иллюстрирует смоделированные карты электрического поля для мономерных и димерных конфигураций при 633, 2000 и 3000 нм. При 633 нм поле локализуется в межчастицый зазоре димера, в то время как мономер показывает поле, замкнутое на его боках. В противовес, при 2000 нм димер все еще концентрирует поле как в частичном зазоре, так и в частица-графин зазоре, а при 3000 нм наиболее сильное усиление появляется в частица-графин зазоре, указывая на то, что поверхность графика доминирует в распределении поля в инфракрасном.

Поверхностно-зарядовые симуляции (рис. 2) подтверждают этот тренд: при 633 нм заряды кластеризуются на серебряных частицах, тогда как при 3000 нм они накапливаются на графитовом слое. Диэлектрическая проницаемость монослойного графика меняется от диэлектрической (ε ≈ 1,5) при 633 нм до металлической (ε ≈ –19) при 3000 нм, обеспечивая сильную связь с образными зарядами на поверхности наночастиц. Эта связь движет перераспределением поля и концентрирует энергию на поверхности графика в инфракрасном.

Экспериментальные SERS измерения (рис. 3) валидируют симуляции. Монослойный графин, депонированный на серебряных мономерах и димерах, демонстрирует заметно усиленные Рамановские сигналы по сравнению с графином в одиночку, доказывая, что наночастицы эффективно усиливают локальное поле. Хотя смоделированный коэффициент усиления для димера (~2,3×10² при 633 нм) превышает измеренное значение, несоответствие атрибутируется экспериментальным вариациям геометрии частиц и размера зазора.

Дополнительные симуляции (рис. 4) сравнивают димеры диэлектрических наночастиц с разной проницаемостью на графине. Только когда наночастица обладает металлическим ответом поле концентрируется на поверхности графика при 3000 нм, подкрепляя, что графеновые плазмоны движат наблюдаемое перераспределение.

Заключение

Демонстрировано, что димеры серебряных наночастиц могут перенаправлять инфракрасный свет на монослойный графин, достигая перераспределения электромагнитного поля, отсутствующего при видимых длинах волн. Эффект исходит из сильной связи между графеновыми плазмонами и образными зарядами на поверхности наночастиц. Это понимание расширяет потенциал графин-базированных плазмонных устройств для инфракрасного сенсирования, фотодетекции и энергетического преобразования.