Redistribución del campo electromagnético en nanopartículas metálicas sobre grafeno

Resultados y discusión

Como se muestra en la Fig. 1, las distribuciones de campo eléctrico de monómero y dímero de nanopartículas de Ag en sistemas híbridos de película de grafeno monocapa se calcularon bajo las longitudes de onda de excitación de 633, 2000 y 3000 nm, por separado. La Figura 1a muestra la distribución del campo eléctrico del sistema, que incluye el monómero de nanopartículas de Ag de 100 nm en una película de grafeno monocapa a 633 nm. La distribución del campo eléctrico se localiza totalmente en los lados de la nanopartícula, pero apenas existe en los huecos de la película de partículas. La distribución del campo eléctrico en el dímero de nanopartículas de Ag a 633 nm se muestra en la Fig. 1b. El campo eléctrico se limita principalmente al espacio entre partícula-partícula. Comparado con el campo eléctrico del espacio de la partícula-partícula, el campo eléctrico fuera del espacio de la partícula-partícula podría ser extraordinariamente débil. Y en la Fig. 1b, la barra de una escala se usó para describir la intensidad del campo eléctrico de los espacios de partícula-partícula y partícula-grafeno. Por lo tanto, no se pudo ver la mejora obvia del campo eléctrico. A 633 nm, la mejora del campo eléctrico simplemente proviene del acoplamiento efectivo de partícula-partícula en lugar del acoplamiento de partícula-película en el sistema, por lo que la energía de la luz se limita principalmente en el espacio de partícula-partícula. Cuando la longitud de onda se cambia a la longitud de onda infrarroja, 2000 nm, las distribuciones del campo eléctrico se muestran en la Fig. 1c, d. El cambio de longitud de onda conduce a la redistribución del campo eléctrico del sistema. En la Fig. 1d, el dímero en la monocapa de grafeno produce un efecto más pronunciado que si se usa solo el caso de monómero. La distribución del campo eléctrico no solo existe en los lados de la partícula, sino también en el espacio de la película de partículas. Aunque la mejora del campo eléctrico del espacio entre partículas y películas es más débil que el del espacio entre partículas y partículas, no se puede ignorar. El resultado demuestra que los plasmones de grafeno monocapa han producido el efecto efectivo sobre la mejora del campo eléctrico del sistema y la energía de la luz se limita al espacio entre partícula-partícula y la superficie del grafeno a 2000 nm. Posteriormente, se utiliza la fuente de luz infrarroja, longitud de onda de 3000 nm, y los resultados se muestran en la Fig. 1e, f. La Figura 1e, f describe que la mejora del campo eléctrico más fuerte se genera en el espacio de la película de partículas a 3000 nm. Por lo tanto, la energía de la luz está confinada en la superficie de grafeno monocapa a 3000 nm. Las distribuciones del campo eléctrico en el caso de más longitudes de onda se colocan en el archivo adicional 1. En comparación con las distribuciones del campo eléctrico en diferentes condiciones de longitud de onda, se encuentra que la energía de la luz se concentra mejor en la monocapa de grafeno a 3000 nm. Además, debido a que los 633 nm están más cerca del pico de resonancia de la nanopartícula de Ag, el factor de mejora del campo eléctrico es 2,3 × 10 ² a 633 nm, que es más fuerte que la excitada a 3000 nm. Los resultados de la simulación revelan la característica del sistema:cambiar la longitud de onda del láser podría conducir a la redistribución del campo eléctrico, lo que aprovecha la energía de la luz que se enfoca en la superficie del grafeno. La razón para generar el fenómeno se debe a la permitividad del grafeno monocapa en diferentes condiciones de longitud de onda. A 633 nm, la permitividad del grafeno monocapa es 1,539, que expresa la propiedad dieléctrica. Sin embargo, la permitividad de grafeno monocapa es - 19,083 a 3000 nm, que es similar al metal. La propiedad del grafeno monocapa bajo diferentes longitudes de onda conduce a la redistribución del campo eléctrico del sistema. Los estudios anteriores demuestran que el acoplamiento eficaz de partículas y películas juega un papel importante en este sistema que comprende una película de oro con un dímero de nanopartículas de Ag de 100 nm ubicado 1 nm por encima de la película a 633 nm. Por lo tanto, la energía de la luz podría concentrarse en la película de oro debajo del dímero de nanopartículas metálicas [28]. En comparación con las consecuencias antes mencionadas, es evidente que la energía de la luz podría concentrarse principalmente en la superficie de grafeno monocapa por el dímero metálico en la región infrarroja.

Redistribución del campo eléctrico en un sistema híbrido de nanopartículas / grafeno. un , b Distribuciones de campo eléctrico de R =Dímero y monómero de nanopartículas de 50 nm en una película de grafeno monocapa con un espacio de 1 nm a 633 nm, c , d a 2000 nm y e , f a 3000 nm

Para comprender en profundidad el mecanismo físico del fenómeno anterior, en la Fig. 2 se estimularon las distribuciones de carga superficial del sistema de película de dímero en varias longitudes de onda. Como se muestra en la Fig. 2a, una gran cantidad de electrones libres están confinados a la superficie de la nanopartícula. Sin embargo, con el cambio de longitud de onda excitada, la mayoría de los electrones libres se acumulan en la superficie de grafeno monocapa a 3000 nm en la figura 2c, y la distribución de carga superficial de la nanopartícula a 633 nm presenta efectos de localización más fuertes que a 3000 nm. Los resultados se confirman además en la Fig. 2b, d, que describe la distribución de carga superficial del grafeno monocapa a 633 y 3000 nm en el sistema híbrido de dímero de nanopartículas de Ag / película de oro de 100 nm, respectivamente. A 3000 nm, los electrones libres del sistema se reúnen principalmente en la parte inferior de las nanopartículas para formar un acoplamiento relativamente fuerte con la monocapa de grafeno, que conduce a la mejora del campo eléctrico del sistema, principalmente localizado en el espacio entre partículas y película. Entonces, la barra de escala de la distribución de carga superficial del sistema y la barra de escala de la distribución de carga superficial del grafeno monocapa son uniformes en las mismas condiciones de longitud de onda excitada. En la comparación de la Fig. 2b, d, no se encuentra que la proporción que representa el sistema de las cargas que se acumulan en la superficie de grafeno monocapa a 633 nm sea menor que la proporción a 3000 nm. Los recuadros de la Fig. 2b, d presentan la intensidad del campo eléctrico del espacio horizontal y vertical a 633 y 3000 nm, respectivamente. A 633 nm, la mejora del campo eléctrico del espacio vertical es más fuerte que la del espacio horizontal, lo que demuestra que la energía luminosa se concentra en el espacio horizontal. Con todo, en el rango visible, la hibridación dipolo de partícula-partícula hace que los electrones libres se junten en las nanopartículas, lo que conduce a una fuerte mejora del campo eléctrico en la brecha de partícula-partícula en el sistema híbrido dímero / grafeno de nanopartículas de Ag. En la región infrarroja, debido a que la propiedad metálica del grafeno y la nanopartícula de Ag está lejos del pico resonante, los electrones libres en la superficie del grafeno inducen cargas de imagen en la superficie de la nanopartícula. Por lo tanto, el acoplamiento de electrones libres en la superficie del grafeno y las cargas de imagen en la superficie de la nanopartícula genera la mejora del campo eléctrico en los huecos de la película de partículas. Los resultados también demuestran que la energía de la luz podría estar confinada en la superficie del grafeno en la región infrarroja.

Redistribución de la carga superficial en un sistema híbrido de nanopartículas / grafeno. Distribuciones de carga de superficie de R =Dímero de nanopartículas de Ag de 50 nm en grafeno monocapa con un intervalo de 1 nm a a 633 nm y c a 3000 nm. Distribuciones de carga de superficie en la superficie de grafeno de R =Dímero de nanopartículas de Ag de 50 nm en grafeno monocapa con un intervalo de 1 nm b a 633 nm y d a 3000 nm. La representación de la interacción del dipolo de carga deducida a 633 y 3000 nm se muestra a la derecha de la Fig. 2

En la Fig. 3, las barras de escala en las imágenes de SEM (microscopio electrónico de barrido) señalan que el monómero y el dímero de nanopartículas de Ag tienen un diámetro similar de aproximadamente 100 nm. Los espectros de SERS en la Fig. 3a provienen de las regiones donde el monómero de nanopartículas de Ag y sin partículas están en grafeno monocapa, respectivamente. El propósito que también recolectamos el Raman de grafeno sin partículas de Ag es resaltar que las nanopartículas de Ag podrían mejorar la señal Raman a través de la mejora del campo eléctrico. El diagrama esquemático del sistema se muestra a la derecha de la Fig. 3a. La intensidad de Raman más fuerte ilustra que el monómero de nanopartículas de Ag puede generar una mejora de Raman. Para verificar aún más el resultado, los espectros Raman de grafeno monocapa con dímero de nanopartículas de Ag también se miden en la Fig. 3b. El diagrama esquemático del sistema se muestra de manera similar a la derecha de la Fig. 3b. El obvio efecto de mejora de Raman también se observa en la Fig. 3b, que es consistente con la Fig. 3a. Estos resultados también demuestran que la señal Raman de grafeno monocapa puede mejorarse mediante nanopartículas de Ag. Pero hay una discrepancia de que el factor de mejora de simulación del dímero en la Fig. 1b es mayor que el determinado experimentalmente en la Fig. 3b. Por un lado, la mejora del campo eléctrico se localiza en el espacio de partícula-partícula en la Fig. 1b, pero las nanopartículas se depositan en la superficie del grafeno en el experimento. Por lo tanto, la discrepancia proviene principalmente de la diferencia de la región del campo de mejora eléctrica y la superficie de contacto. El resultado verifica que los huecos de la película de partículas no generan una mejora del campo eléctrico y demuestra además que la energía luminosa está confinada en el hueco de la partícula a 633 nm. Por otro lado, los parámetros geométricos ideales de las nanoestructuras se utilizan en las simulaciones, aunque es difícil de lograr en los experimentos reales. Además, la forma, la rugosidad de la superficie y el espacio entre partícula y partícula también podrían afectar los factores de mejora, que pueden causar la discordancia. Vale la pena señalar que la banda D de grafeno monocapa se indujo en gran medida cuando se midió la espectroscopía Raman de nanopartículas de grafeno de Ag. La explicación teórica adecuada del fenómeno es que los electrones libres de las nanopartículas de Ag pueden conducir a una energía más fuerte para despertar de manera efectiva la banda D de grafeno monocapa.

SERS del sistema híbrido nanopartícula / grafeno. un SERS de grafeno monocapa adsorbido sobre grafeno de monómero de nanopartículas de Ag y sin partícula y esquema de las muestras. b SERS de grafeno monocapa adsorbido sobre grafeno de dímero de nanopartículas de Ag y sin partícula y esquema de las muestras

Los resultados antes mencionados revelan que los electrones libres en la superficie del grafeno inducen cargas de imagen en la superficie de las nanopartículas en la región infrarroja y el resultado se confirma en la Fig. 4. La Figura 4a, b describe las distribuciones del campo eléctrico del sistema a 3000 nm, que se componen de diferentes dímeros de nanopartículas de permitividad y película de grafeno monocapa. Como se muestra en la Fig. 4a, b, con la permitividad del dímero de nanopartículas disminuyendo, la mejora del campo eléctrico del sistema también se volverá muy débil. En la Fig. 4c, también se simuló la mejora del campo eléctrico de grafeno monocapa sin nanopartículas, que es más débil que en la Fig. 4a, b. Luego, la Fig. 4d muestra la distribución del campo eléctrico del sistema, que se compone de SiO ₂ dímero de nanopartículas en el SiO ₂ película. El dímero y la película son ambos no conductores, que apenas generan realce del campo eléctrico. Los espacios de partícula-partícula y partícula-película en los sistemas se establecieron ambos en 1 nm. En comparación con la Fig. 4b, d, la mejora del campo eléctrico más fuerte en la Fig. 4b ilustra que la energía de la luz está confinada en la película de grafeno monocapa sólo cuando se usa grafeno monocapa como película a 3000 nm. El resultado mencionado anteriormente demuestra que los plasmones de grafeno podrían inducirse en la región infrarroja, lo que puede producir un acoplamiento eficaz con cargas de imagen en el dímero de nanopartículas. Sin embargo, en la Fig. 4c, el sistema no existe dímero de nanopartículas, lo que lleva a que los plasmones de grafeno monocapa no puedan inducir cargas de imagen. El fenómeno verifica además que la energía de la luz podría estar confinada en la película de grafeno monocapa en la región infrarroja en este sistema híbrido de nanopartículas / grafeno. Además, en la Fig. 4a, b, el dímero de nanopartículas de Si como semiconductor produce más cargas de imagen que el SiO ₂ , por lo que la mejora del campo eléctrico del sistema híbrido de nanopartículas de Si / grafeno es más fuerte y muestra un mejor efecto de localización en el espacio entre partículas y películas. Estos resultados poseen significados profundos para la aplicación de grafeno monocapa.

Distribuciones de campo eléctrico en diferentes sistemas híbridos de nanopartículas dieléctricas / grafeno. un - c Distribuciones de campo eléctrico de diferentes dímeros de nanopartículas de permitividad en una película de grafeno monocapa con un espacio de 1 nm a 3000 nm. un Si ( n =4,21 + 0,017i), b SiO ₂ ( n =1.5), c aire ( n =1). d Distribuciones de campo eléctrico de SiO ₂ dímero de nanopartículas en SiO ₂ película con un espacio de 1 nm a 3000 nm

Conclusión

En resumen, en este trabajo se ha investigado la distribución del campo electromagnético del sistema híbrido entre grafeno y nanopartículas metálicas. Los resultados indican que la luz confinada por el plasmón de superficie está influenciada por la longitud de onda. Es decir, el confinamiento de la luz está en la brecha entre las nanopartículas en la región visible y en la superficie del grafeno en la región infrarroja. Nuestro trabajo amplía el conocimiento del plasmón de grafeno, que tiene amplios aspectos de aplicación en películas relacionadas con el grafeno.

Abreviaturas

CVD:

Deposición de vapor químico

EM:

Campo electromagnético

FDTD:

Dominio del tiempo de diferencia finita

PML:

Capa perfectamente combinada

PMMA:

Poli (metacrilato de metilo)

SEM:

Microscopio electrónico de barrido

SERS:

Espectro Raman mejorado en superficie

Análisis de distribución Bi en GaAsBi epitaxial mediante HAADF-STEM con corrección de aberraciones Thiacalix [4] arenes Elimina los efectos inhibidores de los cationes de Zn en la actividad de la miosina ATPasa