Усиление концентрации электромагнитной энергии в связанных хиральных цепочках частиц на золотой пленке

Аннотация

Система металлических наночастиц-пленка доказала способность фокусировать свет в зазоре между частицей и пленкой, что полезно для поверхностно-усиленного Рамановского рассеяния и плазмонной катализации. Быстро развивающаяся плазмонная хиральность также может быть реализована в такой системе. Здесь мы исследовали эффект фокусирования электромагнитной энергии и хиральное усиление ближнего поля в связанной хиральной цепочке частиц на золотой пленке. Она показывает большое усиление электрического поля в зазоре между частицей и пленкой, а также хиральное близкое поле. Усиливающие свойства на резонансных пиках для системы, возбуждаемой левой и правой циркулярно поляризованным светом, очевидно различаются. Эта разница, возникающая из взаимодействия циркулярно поляризованного света и хиральной частица-пленочной системы, анализируется с помощью плазмонной гибридизации. Усиленная оптическая активность может обеспечить перспективные приложения для усиления сенсоров хиральных молекул в этой хиральной частица-пленочной системе.

Введение

Локализованный поверхностный плазмонный резонанс (LSPR), возникающий из связанных когерентных коллективных колебаний свободных электронов в металлической наноструктуре и падающего света, ассоциируется с сильным электромагнитным ближним полем вокруг наноструктуры. Одна из главных проблем LSPR — исследование плазмонных наноструктур с нанометровыми зазорами, в которых возникают одна или несколько «горячих точек» с высоким усилением электромагнитного поля. Горячие точки делают различные металлические наноструктуры перспективными для применения в таких областях, как поверхностно-усиленная Рамановская спектроскопия (SERS), солнечный сбор света и фото-катализ, электронная спектроскопия потерь энергии, химическое и биологическое сенсирование, поверхностно-усиленная фотоэмиссия, нелинейная оптика и фотодетекция. Усиление поля в плазмонных наноструктурах с нанометровыми зазорами, таких как димеры, тримеры и другие олигомеры, изучалось и предложило гибкие способы настройки оптических свойств наноструктуры путем изменения длин волн возбуждения, размеров олигомеров, расположения наночастиц (NP) и межчастичных зазоров. Стоит отметить, что электромагнитная энергия перераспределяется из-за взаимодействия NP и металлической пленки в сложной NP-металл-пленочной системе, и система демонстрирует более сильное усиление поля, чем общие олигомеры. Такие связанные частица-пленочные структуры потенциально могут применяться в молекулярной спектроскопии.

В последние годы много внимания привлекла плазмонная оптическая активность — различный отклик хиральных плазмонных структур на левый (LCP) и правый (RCP) циркулярно поляризованный свет, даже если материал сам по себе не хирален. Один эффект называется круговой дихроизм (CD, θ = (I_R^½ - I_L^½)/(I_R^½ + I_L^½) ≈ ΔA(ln 10/4)), описывающий разницу в погашении LCP и RCP. Многие биомолекулы, включая аминокислоты, нуклеиновые кислоты и белки, демонстрируют CD эффект, и CD анализ принципиально важен для разработки лекарств, биомедицины и наук о жизни. CD отклик, возникающий из взаимодействия хиральных молекул с электромагнитным излучением, крайне слаб, поэтому главная задача исследований — усилить результирующий оптический сигнал. Исследовали различные плазмонные наноструктуры, такие как спиралевидные расположения металлических NP и хиральные метаматериалы. В этих структурах хиральные наноструктуры, составленные из ахиральных металлических NP, демонстрируют огромную оптическую активность, исходящую от плазмонного взаимодействия между ахиральными NP. Горячие точки в ближнем поле NP являются «супер-хиральными», так называемые супер-хиральные поля, которые могут индуцировать исключительно сильное хиральное усиление ближнего поля для эксплуатации хиральных молекул и проектирования хиральных оптических устройств. Однако большинство исследований о супер-хиральных полях фокусировались на усилении между частицами в олигомере или олигомер-пленочной системе, хиральное усиление ближнего поля между частицей и пленкой редко рассматривалось. Как описано выше, на самом деле сильное усиление ближнего поля также происходит в зазоре между частицами и пленкой в олигомерах на металлической пленке. Следовательно, для сложной частица-пленочной системы существует сильное супер-хиральное поле не только между частицами, но и в зазоре частица-пленка, что может облегчить измерение образцов хиральных молекул на подложках. Сильные CD отклики способствуют их потенциальным применениям во многих областях, таких как детектирование следов молекул, хиральная дискриминация и поляризационно-чувствительные оптические устройства.

В данной работе мы исследовали оптические свойства сложной системы, состоящей из хиральной наночастичной цепочки на золотой пленке под возбуждением LCP и RCP светом. Электромагнитная энергия в зазорных областях между частицами и между частицей-пленкой демонстрирует разные распределения, и усиленное поле приводит к супер-хиральному ближнему полю и сильному круговому дихроизму (CD). Огромные хиральные оптические отклики в системе могут иметь перспективные применения в детектировании следохиральных молекул.

Методы

Оптические свойства тетрамерной комплексной системы, состоящей из хиральной наночастичной цепочки на золотой пленке (хиральная частица-пленочная система), численно исследовали с использованием COMSOL Multiphysics на основе метода конечных элементов (FEM). Хиральная частичная цепочка состоит из четырех Ag наносфер с разными диаметрами, расположенных по часовой стрелке от малого к большому при взгляде вдоль направления падающего света. Частичная цепочка, радиусы которой 20, 30, 40 и 50 нм (леворукая (LH) структура), показана на рис. 1a,b. Размеры выбраны, так как резонансные пики находятся в обычном экспериментальном диапазоне. Четыре наносферы расположены на одной окружности в x-y плоскости (как показано синей пунктирной окружностью на рис. 1b, где радиус R = 75 нм). Хиральная частичная цепочка помещена на 100-нм толстую Au пленку с 1-нм зазором между частицей и пленкой. Зазоры между каждой парой соседних частиц в цепочке составляют 2 нм. Размеры зазоров выбраны 1 нм в основном анализе текста, так как это типичная толщина монослоя молекул, адсорбируемых на частицах. Цель работы — дать теоретические референсные результаты для экспериментов, где хиральные молекулы адсорбируются на частицах для сенсирования. Результаты для других размеров зазоров приведены в Дополнительном файле 1 для справки. Хиральная частица-пленочная система возбуждалась LCP и RCP соответственно, падающими со стороны частичной цепочки нормально к Au пленке. Трехмерные (3D) полноволновые симуляции выполнялись с периодическими граничными условиями в x и y направлениях. Относительная проницаемость серебра и золота извлекалась из экспериментальных данных Johnson и Christy. Окружающая среда частичной цепочки установлена в 1,0. Неуниформные сетки использовались для форматирования объекта. Максимальный размер сетки устанавливали менее λ/6. Частичная цепочка размещалась в x-y плоскости. Падающий свет устанавливали 1 В/м и распространялся вдоль z оси. Отраженные спектры (R) получали как отношение отраженного потока мощности к падающему. Поскольку образец непрозрачен, поглощение получали как 1 - R.

Результаты и обсуждение

Анализ спектров поглощения и CD

Спектры поглощения системы для LCP и RCP света нанесены синей и красной сплошными кривыми на рис. 1c. Видно четыре основных плазмонных резонансных пика около 590, 635, 710 и 785 нм. Сравнивая два спектра поглощения, есть очевидные различия в позициях пиков и интенсивности резонансного пика в диапазоне 530–860 нм, особенно ярко выраженные в двух коротковолновых резонансах. Нижняя панель рис. 1c показывает CD спектры (CD ≈ ΔA = (1 - R_R) - (1 - R_L) = R_L - R_R в нашей системе, R_L и R_R — отражаемость для структуры, возбуждаемой LCP и RCP светом соответственно). Видно более сильные CD отклики рядом с резонансными пиками. Благодаря хиральному расположению частиц, отклики четырех частиц различны. Взаимодействия между различно откликающимися частицами приводят к общему разнице отклика для LCP и RCP, что и есть хиральность. Отклик можно объяснить, используя совпадение или несовпадение электрического вектора и структурных мод в конкретный момент. Очень похоже на модель Born-Kuhn, вращающийся вектор электрического поля будет соответствовать разным модам в разные моменты периода LCP и RCP, а электрические векторы LCP и RCP вращаются в противоположных направлениях, что также предлагалось в нескольких предыдущих работах. Однако в условии частичной цепочечной системы, образы зарядов на пленке будут взаимодействовать с частичной цепочкой и формировать эквивалентную двойную цепочку. В результате возникают сильные CD отклики из-за вращающихся электрических векторов падающего LCP или RCP света, которые направлены вдоль или противоположно дипольному направлению, сформированному LH частичной цепочкой на пленке при определенных длинах волн возбуждения.

Сравнение спектров поглощения и кругового дихроизма для разных зазоров между частицами приведено в Дополнительном файле 1: Рисунок S1 для демонстрации тренда. Видно, что при уменьшении зазора CD становится сильнее, что неудивительно из-за более сильных взаимодействий.

Анализ фокусирования циркулярно поляризованного света

Наши предыдущие исследования показали, что «горячие точки» с высоким усилением электромагнитного поля для наночастица-металл-пленочной системы возникают не только между наночастицами, но и между наночастицей и металлической пленкой. И в некоторых случаях электромагнитное поле между частицей и пленкой даже сильнее. Электромагнитная энергия перераспределяется из-за различных взаимодействий между хиральной частичной цепочкой-пленкой и LCP/RCP возбуждающими светами. Эффект фокусирования ближнего поля энергии системы исследуется для разных циркулярно поляризованных светов, как показано на рис. 2. Рис. 2a,b показывают распределение электрического поля в середине зазора между хиральной частичной цепочкой и Ag пленкой на резонансных пиках для LCP и RCP света соответственно. Для удобства зазоры между частицами разного диаметра и пленкой обозначены как F1, F2, F3 и F4 (как показано в правой колонке рис. 2c. На рис. 2a,b каждый график представляет распределение электрического поля на соответствующем резонансном пике, и каждое положение усиления поля соответственно соответствует F1, F2, F3 и F4. На одной и той же длине волны возбуждения положение усиления поля и интенсивность демонстрируют очевидные различия для LCP и RCP. На резонансных длинах волн 590, 635, 710 и 785 нм сильнейшие поля происходят при F1, F4, F2 и F4 соответственно. Для LCP соответствующие максимальные усиления поля составляют 270, 346, 333 и 385 соответственно. Однако сильнейшие поля происходят при F3, F2, F3 и F3-F4 на вышеуказанных длинах волн для RCP; и соответствующие максимальные усиления 187, 319, 463 и 386 соответственно. Кроме того, усилением поля в других зазорах также показывают разнообразие для разных длин волн для LCP и RCP. Рис. 2c показывает интенсивность электрического поля в зазорах между разными частицами-пленкой в хиральной частичной цепочечной системе с изменяющейся длиной волны возбуждения от 400 до 1000 нм. Синяя сплошная кривая представляет электрическое поле для LCP, красная — для RCP. Приблизительно максимальное усиление происходит у меньшей частицы с более коротковолновым резонансным пиком и у зазора большей частицы с более длинноволновым резонансным пиком, что соответствует ожиданиям, но не абсолютной тенденции. Кроме того, в одном зазоре на разных резонансных пиках или в разных зазорах на одном резонансном пике ближнее поле усилений также показывает значительные различия в позициях резонансного пика и интенсивности усиления для разных циркулярно поляризованных светов. В зазорах F1 и F2 максимальная разница усиления, вызванная разной полярностью LCP и RCP света, происходит около 635 нм резонансной длины волны, и отношения усилений под RCP и LCP составляют 3,5 и 5,5 для F1 и F2 соответственно. Для F3 более крупные различия усиления находятся около 635 и 710 нм, и отношения усиления LCP к RCP соответственно 3 и 0,5. Стоит отметить, что 0,5-кратное усиление здесь показывает более сильное усиление под RCP светом, чем под LCP около 635 нм. Для F4 наибольшая разница усиления около 635 нм, и отношение LCP к RCP составляет 1,4. Эти феномены благоприятны для возбуждения CD отклика и дают перспективы молекулярного сенсора на подложке в разных позициях.

Для глубокого понимания механизма усиления электрического поля хиральной частичной цепочечной-пленочной системы теперь исследуем моду каждого резонансного пика с точки зрения гибридизации. Согласно спектрам отражаемости системы, есть четыре резонансных пика, обозначенные как 1, 2, 3 и 4 соответственно, как показано на рис. 3 (синяя для LCP и красная кривая для RCP). Поверхностные распределения зарядов системы под LCP или RCP возбуждением показаны слева и справа соответственно, с гибридными уровнями в середине. Цветные стрелки указывают поляризационные состояния частиц разного радиуса, соответствующие 20, 30, 40 и 50 нм, нанесенные черным, красным, синим и желтым цветами. Пленка представлена как голубая линия под стрелками; голубые линии также представляют гибридные уровни. Индуцированные противоположные образные диполи на пленке показаны серым цветом.

Для первого уровня около 785 нм это типичный гибридный большой дипольный режим с индуцированным противоположным образным диплем на пленке. Для RCP возбуждения, из-за более слабого момента для 50 нм частицы (желтый диполь), энергетический уровень сине-смещается на несколько нанометров (нужно вглядеться внимательно, чтобы разрешить) относительно LCP возбуждения. Согласно теории гибридизации частицы и пленки, известно, что для такого индуцированного образного зарядового связывания система всегда находится в связывающем режиме, поэтому всегда понижает энергию. Если связывание слабее, энергия будет выше (синий сдвиг). Из связанного большого диполя и образного диполя легко видеть, что для LCP возбуждения сильнейшее электрическое поле должно быть под 50 нм частицей (желтый диполь); для RCP возбуждения сильнейшие точки F3 и F4 должны быть под 40 нм (синий) и 50 нм (желтый) частицами (50 нм даже сильнее). Для второго уровня около 710 нм, из поверхностных распределений зарядов на частицах, видим, что для LCP возбуждения две меньшие частицы в одной ориентации (что является антисвязывающим режимом для двух частиц) и перпендикулярны поверхности; две большие частицы в одной ориентации с противоположным направлением к меньшим двум. Но для RCP возбуждения черный диполь поляризован в горизонте, что понижает уровень энергии. Из направлений диполей следует, что для LCP возбуждения красный и синий диполи противоположны, поэтому они могут усиливать друг друга, так что F2 и F3 должны быть сильнее. Согласно ссылке, в этом случае меньшая частица будет больше сдерживать энергию, так что F2 — сильнейший зазор. Для RCP возбуждения горизонтальный (черная стрелка) частично отменяет F2, потому что черный диполь и красный диполь частично антисвязывающие, так что F3 — сильнейший. Третий уровень около 635 нм. По сравнению со вторым уровнем, синий диполь переворачивается, и сильное поле, порождаемое черным, красным и синим диполями, втягивает желтый диполь в наклонный угол. Перевернутый синий диполь также делает уровень энергии выше под LCP возбуждением, потому что этот режим гибридизирован тремя диполями. При возбуждении RCP черный и синий диполя в горизонте, делая энергию ниже. Из ориентаций диполей можно прямо найти, что зазор F4 сильнейший для LCP, потому что синяя и желтая стрелки усиливают друг друга, и F2 сильнейший для RCP, потому что черные и синие стрелки усиливают красную. Для четвертого уровня около 590 нм почти одинаково ориентированные четыре диполя делают энергию наивысшей. Под LCP возбуждением первые три диполя почти в одной ориентации, а желтый наклонен под большим углом, что понижает энергию. Под RCP возбуждением наклоненным дипольным является черный. Поскольку дипольный момент слабее, общая энергия выше, чем при LCP исполнении. Из дипольной конфигурации видим, что для LCP сильнейший зазор должен быть F1 под наименьшей частицей, потому что наименьшая частица имеет сильнейшую фокусирующую способность при такой конфигурации, так как более крупные частицы усилют поле вокруг меньшей больше. Для RCP сильнейший зазор не F1 или F2, потому что черный диполь слишком мал и он почти под зазором красной частицы. Так что противоположное поле входит в зазор красной частицы слишком сильно и отменяет поле. Для синего и желтого сильнейший зазор должен быть F3, потому что синяя частица меньше. Всего анализ в гибридизации хорошо соответствует результатам на рис. 2.

Фактически, усиление электрического поля между частицами в хиральной частичной цепочечной-пленочной системе также очень сильно. Спектры усиления в зазорах P1, P2 и P3 между частицами (вставки рис. 4) показаны на рис. 4. Замечаем, что пики максимального поля смещаются к длинной волне при увеличении диаметра соседних частиц, которые находятся примерно при 620 нм для зазора P1, 710 нм для P2 и 785 нм для P3 соответственно. Максимальные усилений электрического поля составляют 120, 217 и 226. Тренд похож на RCP возбуждение. Интересно, что позиции пиков усиления не в точности совпадают для LCP и RCP возбуждения. Тем не менее, по сравнению с спектрами усиления электрического поля, показанными на рис. 2c, эффект усиления между частицами-пленкой сильнее, чем между частицами.

Супер-хиральное поле в хиральном фокусировании

Очень ясно, что как только есть пленка под частицами, есть фокусирующий эффект в зазоре между частицами и пленкой. И фокусирующий эффект варьируется под LCP и RCP возбуждением. Одна из больших проблем в плазмонно-усиленной хиральности — структура может давать супер-хиральные ближние поля, которые ожидаются для сенсирования или детектирования хиральных молекул. Для исследования усиленного хирального ближнеполевого отклика вычисляют коэффициент усиления оптической хиральности, определенный как Ĉ = C/C_CP, где C = -ε₀/2ω Im[E*·B] называется оптической хиральностью, введенной Тангом и Коэном, которая может количественно характеризоваться степенью хиральной асимметрии. Здесь ε₀ — диэлектрическая проницаемость вакуума, ω — угловая частота падающего света, E и B — локальные электрическое и магнитное поля. C_CP = ±ε₀ωE₀²/(2c) — оптическая хиральность для LCP света (+) и RCP света (−) с амплитудой электрического поля E₀. Благодаря сильной ближнеполевой связи, огромное усиление поля в зазорах между частицей-пленкой (см. рис. 2) может генерировать очевидно усиленные локальные хиральные поля в соответствующих зазорах. Локальные распределения хирального поля на резонансном пике 635 нм показаны на рис. 5. Находим сильное усиление хиральности в зазорах F4 и F3 для LCP. Однако усиления происходят в зазорах F2 и F1 для RCP. Вышеуказанные результаты соответствуют рис. 2. Локальные распределения хирального поля для других резонансных пиков представлены в Дополнительном файле 1: Рисунок S2 (a)–(c). На рис. 6a,b показано распределение коэффициента усиления оптической хиральности в x-y плоскости в середине зазора между частицей-пленкой на четырех резонансных пиках соответственно, когда система возбуждается LCP и RCP светом. Усиления позиции соответствуют регионам зазоров F1, F2, F3 и F4 по часовой стрелке соответственно. Сила усиления в разных зазорах различна на одном резонансном режиме для LCP и RCP света. Под тем же CPL возбуждением супер-хиральное поле в зазоре также варьируется. Видно, коэффициент хирального усиления может достигать 90 раз в благоприятных позициях и резонансной длине волны. Хиральное оптическое усиление также селективно для LCP и RCP света в разных локациях одного зазора. Кроме того, области хирального усиления ограничены малой площадью в каждом зазоре и быстро меняются. В приложениях хирального усиления CD сигнал над зондой определяется интеграцией локального хирального поля. Поэтому необходимо исследовать усредненную по объему оптическую хиральность. Здесь мы берем малый цилиндр с радиусом 4, 6, 8 и 10 нм соответственно под частицей с радиусом 20, 30, 40 и 50 нм, а высоты просто срезают пленку и частицы. Объем различной области между цилиндром и каждой частицей-пленкой — V. Радиус выбирают, когда электрическое поле затухает до 1/e от максимума под частицами. Усредненный по объему коэффициент усиления оптической хиральности можно получить, интегрируя C/|C_CP| в дифференциальной части цилиндра с частицей и пленкой и беря среднее по объему, которое равно

$$ \left\langle \widehat{C}\right\rangle =\frac{1}{V}\int_V C/\left|{C}_{CP}\right| dV $$

и соответствующие объем-усредненные спектры хирального усиления в зазорах F1, F2, F3 и F4 нанесены на рис. 6c. Из спектров видно, что даже если есть эффект отмены для противоположных хиральных полей под частицами, усредненное по объему хиральное поле усиления все равно очень сильно. Для F1 сильнейший пик даже достигает 50 раз. Хиральное усиление поля на металлической пленке редко сообщается. Усредненное по объему хиральное усиление на металлической пленке в нашей работе того же порядка, что и в ссылке 51. И в разных зазорах хиральное поле под LCP и RCP возбуждением может быть полностью противоположным, как в зазорах F1 и F3. С этими свойствами можно использовать для сенсирования хиральных молекул. Например, когда две хиральные молекулы с противоположной хиральностью расположены под зазором F1, L будет возбуждена под LCP при 590 нм, а R — под RCP при 635 нм. Если возбуждать только при 600 нм, LCP и RCP свет полностью различат L и R молекулы в зазоре F3.

Помимо сильного хирального усиления ближнего поля в зазорах между частицей-пленкой, есть также большие хиральные отклики в зазорах между частицами (рис. 5 и Дополнительный файл 1: Рисунок S2 (a)–(c) демонстрируют распределения усиления хирального ближнего поля на резонансных пиках в зазорах P1, P2 и P3). Для просмотра хиральных полей между частицами, усредненные по объему спектры оптической хиральности также рассчитывают по уравнению (1) в регионах зазоров P1, P2 и P3, как показано на рис. 7. Объем в формуле здесь получен похожим методом, как для зазора частица-пленка. Четко наблюдается, что хиральные поля в зазорах P1, P2 и P3 всегда отрицательны для LCP в широком диапазоне длин волн; для RCP света хиральность поля противоположна в зазорах. Значительная разница для двух циркулярно поляризованных светов важна для применения усиления хиральных молекул.

Сравнение с линейно расположенными частицами, большим радиусом окружности расположения и разным числом частиц

Эффект фокусирования энергии электрического поля линейной частичной цепочки на золотой пленке также изучали как сравнение. Линейная частичная цепочка также состоит из четырех Ag частиц с разными диаметрами 20, 30, 40 и 50 нм как показано на рис. 8. В отличие от хиральных структур, линейная частичная цепочка имеет более сильный рефлексный отклик (рис. 8a), эффект фокусирования в зазорах между частицами-пленкой более выражен, и особенно линейная система зондируется линейно поляризованным светом (рис. 8b). На рис. 9 нанесены объем-усредненные спектры хирального усиления в зазорах между частицами-пленкой. Сплошные кривые представляют спектры усиления линейной частичной цепочечной-пленочной системы, синяя и розовая сплошные линии соответствуют LCP свету и линейно поляризованному (LP) свету соответственно. Пунктирные линии представляют усиление хиральной частичной цепочечной-пленочной системы как обсуждалось выше, синяя и красная пунктирные линии соответствуют LCP и RCP возбуждению соответственно. Можно заметить, что есть более сильное хиральное усиление поля в некоторых зазорах на некоторых резонансных пиках, например, в зазоре F1 хиральное усиление поля может достигать значений 48 около пика 640 нм. Однако по сравнению с хиральной структурой, ясно, что для циркулярно поляризованного света оптическая хиральность линейной структуры в целом слабее, а для линейно поляризованного света линейная структура не демонстрирует CD отклик, так что более преимущественно использовать хиральную структуру в сенсоре хиральных молекул, чем линейную.

Для изучения эффекта расположения хиральности этой структуры на оптическую хиральность, мы меняли радиус окружности расположения (R) в x-y плоскости (как показано синей пунктирной окружностью на рис. 1b) и моделировали оптические свойства хиральной NP цепочечной-пленочной системы с разными R. Из спектров поглощения и CD видно, что резонансные пики почти не меняются с увеличением R (Дополнительный файл 1: Рисунок S3); но CD становится слабее при увеличении R. Потому что хиральность структуры становится ниже (симметрия выше) с увеличением R, хиральные отклики для LCP и RCP не так чувствительны больше. В то же время объем-усредненное хиральное усиление между NP-пленкой показывает тренд уменьшения (Дополнительный файл 1: Рисунок S4). Однако R меньше влияет на объем-усредненное хиральное усиление между частицами (Дополнительный файл 1: Рисунок S5).

Кроме того, связь хирального усиления и числа частиц также исследуется (Дополнительный файл 1: Рисунок S6). Очень похоже на выше обсуждаемую систему с четырьмя частицами (обозначена как 50-40-30-20), мы убрали 20-нм частицу, сделав хиральную цепочку из трех частиц (обозначена как 50-40-30). CD спектры двух систем очевидно различны. В 50-40-30 системе три CD отклика пика. С уменьшением числа частиц объем-усредненное хиральное усиление в зазоре F2 более затронуто, чем в зазорах F3 и F4. Однако объем-усредненное хиральное усиление между частицами имеет небольшое изменение.

Представленные выше результаты как-то дают способ усиления оптической активности хиральных молекул, кроме прямого усиления димером. Однако изготовление такой системы немного хитро. Грубый способ сделать такую систему — прямо капнуть капли частичного соля с разным размером на Au пленку подложку. Поскольку частиц много, не так трудно найти такую изогнутую форму с разным размером. Но если кто-то хочет более контролируемое и тонкое, химический синтез возможный путь. Наночастица не идеально круглая из-за кристаллической структуры. Можно сначала поместить частицы с равномерным размером в раствор функциональных молекул (как ДНК с особой функциональной группой), в котором химические молекулы адсорбируются только на специфическую грань. Выполнить похожие шаги для частиц с разным размером. Смешать частицы вместе и они образуют цепочку. Затем капнуть раствор на подложку и натяжение растворителя изогнет цепочку. Другие возможные пути — метод вытягивания с фрезерованными изогнутыми щели подложки, магнитная самоорганизация частиц с магнитными ядерными частицами, капиллярные эффекты или оптическая сила.

Заключение

В заключение, мы продемонстрировали эффект фокусирования электромагнитной энергии и хиральное усиление ближнего поля хиральной цепочки, состоящей из четырех наночастиц разного диаметра на золотой пленке. Когда хиральная цепочка возбуждается LCP и RCP светом, наблюдаются очевидные различия в усилении электрического поля в зазорах на резонансных пиках. Анализ гибридизации восстанавливает механизм. Эта разница в усилении электрического поля приводит к сильному хиральному усилению ближнего поля рядом с зазорами между частицами и между частицей-пленкой, что индуцирует сильный хиральный отклик и дает перспективы для приложений хирального усиления ближнего поля в детектировании хиральных молекул.

Аббревиатуры

CD:

Круговой дихроизм

FEM:

Метод конечных элементов

LCP:

Левый циркулярно поляризованный свет

LH:

Леворукий

LP:

Линейно поляризованный

LSPR:

Локализованный поверхностный плазмонный резонанс

NPs:

Наночастицы

RCP:

Правый циркулярно поляризованный свет

SERS:

Поверхностно-усиленная Рамановская спектроскопия