Redistribuição do campo eletromagnético em nanopartículas de metal sobre grafeno

Resumo

Beneficiando-se da carga induzida da imagem no filme de metal, a energia da luz fica confinada na superfície do filme sob o dímero de nanopartículas de metal, que é chamado de redistribuição do campo eletromagnético. Neste trabalho, a distribuição do campo eletromagnético de monômero ou dímero de nanopartículas metálicas no grafeno é investigada através do método de diferenças finitas no domínio do tempo. Os resultados apontam que a redistribuição do campo eletromagnético (EM) ocorre neste sistema híbrido de nanopartícula / grafeno na região do infravermelho, onde a energia da luz também pode ser confinada em uma superfície de grafeno monocamada. A distribuição de carga superficial foi analisada usando a análise de elementos finitos, e o espectro Raman aprimorado pela superfície (SERS) foi utilizado para verificar esse fenômeno. Além disso, os dados sobre nanopartículas dielétricas em grafeno monocamada demonstram que esta redistribuição EM é atribuída ao forte acoplamento entre carga de superfície excitada por luz em grafeno de monocamada e carga de imagem induzida por plasmon de grafeno na superfície de nanopartículas dielétricas. Nosso trabalho amplia o conhecimento do plasmon de grafeno monocamada, que possui uma ampla gama de aplicações em filmes relacionados ao grafeno monocamada.

Histórico

Como um pioneiro do material bidimensional (2D) no século XXI, o grafeno possui muitas propriedades excelentes, como desempenho eletrônico, condutividade térmica superior, resistência mecânica robusta e alta área de superfície. Com base nas características citadas, o grafeno tem despertado grande interesse e tem sido aplicado em diversos campos de pesquisa, como optoeletrônica [1, 2], detecção óptica [3], célula solar [4,5,6,7] e armazenamento de energia. [8, 9]. Para a excelente capacidade de manipular luz em comprimento de onda, plasmônica que é baseada em plasmon de superfície induzido por luz na superfície de metal também está recebendo atenção considerável e tem numerosas aplicações, e. espalhamento Raman intensificado por superfície (SERS) [10, 11], sensor [12], catálise de superfície [13], guia de onda [14] e atividade óptica [15]. Nos últimos anos, o sistema híbrido consistindo de grafeno e nanopartículas de metal tem sido estudado extensivamente [16,17,18,19,20,21]. No entanto, devido ao acoplamento eficaz entre as partículas de metal, a energia da luz é geralmente confinada à nanopartícula de metal, em vez de na superfície do grafeno no sistema híbrido de nanopartícula / grafeno. Nos últimos anos, uma grande quantidade de relatórios demonstram que as cargas de imagem indutoras no filme de metal geram confinamento de luz na superfície do filme de metal em vez de na nanopartícula no sistema híbrido de nanopartícula / filme de metal, que é chamado de redistribuição do campo eletromagnético [22 , 23,24,25,26,27]. Além disso, o resultado também foi demonstrado que o dímero de nanopartículas pode representar o fenômeno de confinamento de luz mais forte do que o monômero de nanopartículas. Em nosso trabalho, sistemas híbridos de nanopartículas / grafeno são adotados para estudar a distribuição do campo eletromagnético no grafeno. Em primeiro lugar, o campo elétrico e as distribuições de carga superficial no sistema híbrido de nanopartículas / grafeno foram estimulados sob diferentes condições de comprimento de onda usando o método de domínio de tempo de diferença finita (FDTD). E então, o fenômeno é posteriormente confirmado experimentalmente pelo SERS medido. Além disso, os resultados do sistema de dímero dielétrico e filme de grafeno apontam que o grafeno plasmon, que induz a carga da imagem nas nanopartículas, é fundamental para esse confinamento. Nossos resultados no trabalho demonstram que a energia da luz pode ser focada na superfície de grafeno em monocamada por dímero de nanopartículas de Ag na região do infravermelho, tanto teoricamente quanto experimentalmente, que tem aplicações significativas no campo relacionado ao grafeno em monocamada.

Métodos / Experimental

Preparação de material e amostra

AgNO ₃ , polivinilpirrolidona (PVP) e boro-hidreto de sódio foram adquiridos da Aldrich Chemical Co. A forma de sintetizar nanopartículas de prata foi através da redução com boro-hidreto de sódio de AgNO _3. O grafeno monocamada foi cultivado em folhas de cobre limpas em um sistema de deposição de vapor químico tipo tubo (CVD). Sob pressão atmosférica, uma mistura de gás de 25% de metano em hidrogênio (vazão total de 80 sccm) foi introduzida na câmara, após o aumento da temperatura do substrato até 1000 ° C. O crescimento do grafeno manteve-se por 10-30 min e, em seguida, as amostras foram resfriadas à temperatura ambiente rapidamente. Finalmente, o filme de grafeno foi transferido para o substrato de silício usando o polímero poli (metacrilato de metila) (PMMA) [28]. Em seguida, as nanopartículas são revestidas em grafeno de camada única para formar a estrutura híbrida de nanopartículas de grafeno.

Parâmetro de simulação

Neste trabalho, todas as análises teóricas foram simuladas adotando-se o método FDTD para calcular as distribuições de campo elétrico e carga superficial. O dímero de nanopartículas de Ag foi localizado 1 nm acima do grafeno, e a lacuna do dímero de nanopartículas de Ag também foi definida como 1 nm. O PVP nas partículas é de 0,5 nm e o espaçamento do grafeno é de 0,5 nm. Assim, definimos a lacuna como 1 nm. O Si está abaixo da monocamada. Em seguida, a fonte de luz plana de 633, 2000 e 3000 nm irradiou perpendicularmente ao substrato, respectivamente. O componente elétrico ( E ₀ ) da fonte plana foi definido como 1 V / m. Em seguida, as condições do limite FDTD foram definidas para camada perfeitamente combinada (PML), que absorveu a luz incidente total. Além disso, os monitores de perfil de campo no domínio da frequência foram adicionados para supervisionar as distribuições do campo eletromagnético para análise de sucesso. A luz excitada entrou do lado normal da nanopartícula de Ag ao plano do substrato. A polarização da luz incidente ocorre ao longo do eixo do dímero, o que pode efetivamente excitar os modos de acoplamento do plasmon nos dímeros.

Resultados e discussão

Como mostrado na Fig. 1, as distribuições de campo elétrico de monômero de nanopartícula de Ag e dímero em sistemas híbridos de filme de grafeno de monocamada foram calculadas sob os comprimentos de onda de excitação de 633, 2000 e 3000 nm, separadamente. A Figura 1a mostra a distribuição do campo elétrico do sistema, que inclui o monômero de nanopartículas de Ag 100 nm em um filme de grafeno em monocamada a 633 nm. A distribuição do campo elétrico se localiza totalmente nas laterais da nanopartícula, mas dificilmente existe nas lacunas do filme da partícula. A distribuição do campo elétrico no dímero de nanopartículas de Ag a 633 nm é mostrada na Fig. 1b. O campo elétrico está confinado principalmente à lacuna da partícula-partícula. Comparando com o campo elétrico do vão da partícula-partícula, o campo elétrico fora do vão da partícula-partícula pode ser extraordinariamente fraco. E na Fig. 1b, uma barra de escala foi usada para descrever a intensidade do campo elétrico das lacunas de partícula-partícula e partícula-grafeno. Assim, o óbvio aumento do campo elétrico não pôde ser visto. Em 633 nm, o aumento do campo elétrico vem meramente do acoplamento efetivo de partícula-partícula em vez do acoplamento de partícula-filme no sistema, de modo que a energia da luz é principalmente confinada no intervalo de partícula-partícula. Quando o comprimento de onda é alterado para comprimento de onda infravermelho, 2000 nm, as distribuições do campo elétrico são exibidas na Fig. 1c, d. A mudança do comprimento de onda leva à redistribuição do campo elétrico do sistema. Na Fig. 1d, o dímero na monocamada de grafeno produz um efeito mais pronunciado do que apenas usando o caso do monômero. A distribuição do campo elétrico não existe apenas nas laterais da partícula, mas também na lacuna do filme da partícula. Embora o aumento do campo elétrico da lacuna do filme de partícula seja mais fraco do que aquele na lacuna da partícula-partícula, ele não pode ser ignorado. O resultado prova que os plasmons de grafeno monocamada produziram o efeito efetivo no aumento do campo elétrico do sistema e a energia da luz está confinada à lacuna da partícula-partícula e a superfície do grafeno em 2000 nm. Posteriormente, a fonte de luz infravermelha, comprimento de onda de 3000 nm, é usada e os resultados são mostrados na Fig. 1e, f. A Figura 1e, f descreve que o aumento do campo elétrico mais forte é gerado no intervalo do filme de partículas a 3000 nm. Portanto, a energia da luz está confinada na superfície da monocamada de grafeno a 3000 nm. As distribuições do campo elétrico no caso de mais comprimentos de onda são colocadas no arquivo adicional 1. Comparado com as distribuições do campo elétrico sob diferentes condições de comprimento de onda, verifica-se que a energia da luz é melhor focada no grafeno monocamada a 3000 nm. Além disso, como 633 nm está mais próximo do pico de ressonância da nanopartícula de Ag, o fator de aumento do campo elétrico é 2,3 × 10 ² em 633 nm, que é mais forte do que excitado em 3000 nm. Os resultados da simulação revelam a característica do sistema:alterar o comprimento de onda do laser pode levar à redistribuição do campo elétrico, que aproveita a energia da luz focalizando a superfície do grafeno. A razão para gerar o fenômeno é devido à permissividade do grafeno monocamada sob diferentes condições de comprimento de onda. Em 633 nm, a permissividade da monocamada de grafeno é 1,539, o que expressa a propriedade do dielétrico. No entanto, a permissividade da monocamada de grafeno é - 19,083 a 3000 nm, que é semelhante ao metal. A propriedade do grafeno monocamada sob diferentes comprimentos de onda leva à redistribuição do campo elétrico do sistema. Os estudos anteriores demonstraram que o acoplamento eficaz da partícula e do filme desempenha um papel importante neste sistema composto por um filme de ouro com um dímero de nanopartículas de Ag 100 nm localizado 1 nm acima do filme a 633 nm. Portanto, a energia da luz poderia ser focada no filme de ouro sob o dímero de nanopartículas de metal [28]. Em comparação com as consequências acima mencionadas, é evidente que a energia da luz poderia ser focada principalmente na superfície de grafeno monocamada pelo dímero de metal na região do infravermelho.

Redistribuição do campo elétrico em sistema híbrido de nanopartículas / grafeno. a , b Distribuições de campo elétrico de R =Monômero de nanopartículas de 50 nm e dímero em filme de grafeno de monocamada com uma lacuna de 1 nm em 633 nm, c , d em 2000 nm, e e , f em 3000 nm

Para compreender profundamente o mecanismo físico do fenômeno acima, as distribuições de carga superficial do sistema de dímero-filme em vários comprimentos de onda foram estimuladas na Fig. 2. Como mostrado na Fig. 2a, uma grande quantidade de elétrons livres está confinada à superfície da nanopartícula. No entanto, com a mudança do comprimento de onda excitado, a maioria dos elétrons livres se reúnem na superfície da monocamada de grafeno em 3000 nm na Fig. 2c, e a distribuição de carga superficial da nanopartícula em 633 nm apresenta efeitos de localização mais fortes do que em 3000 nm. Os resultados são ainda confirmados na Fig. 2b, d, que descreve a distribuição de carga superficial do grafeno monocamada em 633 e 3000 nm no sistema híbrido de dímero de nanopartículas de Ag 100 nm / filme de ouro, respectivamente. Em 3000 nm, os elétrons livres do sistema se reúnem principalmente na parte inferior das nanopartículas para formar um acoplamento relativamente forte com a monocamada de grafeno, o que leva ao aumento do campo elétrico do sistema localizado principalmente na lacuna do filme de partículas. Então, a barra de escala da distribuição de carga superficial do sistema e a barra de escala da distribuição de carga superficial do grafeno monocamada são uniformes nas mesmas condições de comprimento de onda excitado. Na comparação da Fig. 2b, d, não foi descoberto que a proporção responsável pelo sistema de cargas acumuladas na superfície de grafeno em monocamada em 633 nm seja menor do que a proporção em 3000 nm. As inserções na Fig. 2b, d apresentam a intensidade do campo elétrico da lacuna horizontal e vertical em 633 e 3000 nm, respectivamente. Em 633 nm, o aumento do campo elétrico do gap vertical é mais forte do que o do gap horizontal, o que demonstra que a energia da luz está focada no gap horizontal. Ao todo, na faixa visível, a hibridização dipolo de partícula-partícula faz com que os elétrons livres se reúnam nas nanopartículas, o que leva ao forte aumento do campo elétrico na lacuna da partícula-partícula no sistema híbrido de dímero / grafeno de nanopartículas de Ag. Na região do infravermelho, como a propriedade do metal do grafeno e da nanopartícula de Ag está longe do pico ressonante, os elétrons livres na superfície do grafeno induzem cargas de imagem na superfície das nanopartículas. Assim, o acoplamento de elétrons livres na superfície do grafeno e cargas de imagem na superfície das nanopartículas gera o aumento do campo elétrico nas lacunas do filme de partículas. Os resultados também demonstram que a energia da luz pode estar confinada na superfície do grafeno na região do infravermelho.

Redistribuição de carga superficial em sistema híbrido de nanopartículas / grafeno. Distribuições de carga superficial de R =Dímero de nanopartículas de Ag 50 nm em monocamada de grafeno com lacuna de 1 nm a a 633 nm e c a 3000 nm. Distribuições de carga superficial na superfície de grafeno de R =Dímero de nanopartículas de Ag 50 nm em grafeno monocamada com lacuna de 1 nm b em 633 nm e d a 3000 nm. A representação de interação de dipolo de carga deduzida em 633 e 3000 nm é mostrada à direita da Fig. 2

Na Fig. 3, as barras de escala nas imagens de SEM (microscópio eletrônico de varredura) mostram que o monômero e o dímero da nanopartícula de Ag têm diâmetro semelhante a cerca de 100 nm. Os espectros SERS na Fig. 3a vêm das regiões onde o monômero de nanopartículas de Ag e sem partícula estão na monocamada de grafeno, respectivamente. O objetivo que também coletamos o Raman do grafeno sem a partícula de Ag é destacar que a nanopartícula de Ag pode aumentar o sinal Raman através do aumento do campo elétrico. O diagrama esquemático do sistema é exibido à direita da Fig. 3a. A intensidade Raman mais forte ilustra que o monômero de nanopartículas de Ag pode gerar aumento de Raman. Para verificar ainda mais o resultado, os espectros Raman de grafeno em monocamada com dímero de nanopartículas de Ag também são medidos na Fig. 3b. O diagrama esquemático do sistema é exibido de forma semelhante à direita da Fig. 3b. O óbvio efeito de aumento de Raman também é observado na Fig. 3b, que é consistente com a Fig. 3a. Esses resultados também demonstram que o sinal Raman de grafeno em monocamada pode ser melhorado por nanopartículas de Ag. Mas há uma discrepância de que o fator de realce de simulação do dímero na Fig. 1b é maior do que aquele determinado experimentalmente na Fig. 3b. Por um lado, o aumento do campo elétrico está localizado na lacuna da partícula-partícula na Fig. 1b, mas as nanopartículas são depositadas na superfície do grafeno no experimento. Assim, a discrepância vem principalmente da diferença da região do campo de realce elétrico e da superfície de contato. O resultado verifica que as lacunas do filme de partícula não geram aumento de campo elétrico e ainda demonstra que a energia da luz está confinada na lacuna da partícula-partícula em 633 nm. Por outro lado, os parâmetros geométricos ideais das nanoestruturas são usados nas simulações, embora seja difícil de conseguir nos experimentos reais. Além disso, a forma, a rugosidade da superfície e a lacuna da partícula-partícula também podem afetar os fatores de intensificação, que podem causar a discordância. É importante notar que a banda D do grafeno monocamada foi amplamente induzida quando a espectroscopia Raman de nanopartícula-grafeno de Ag foi medida. A explicação teórica adequada para o fenômeno é que os elétrons livres das nanopartículas de Ag podem levar a uma energia mais forte para efetivamente despertar a banda D da monocamada de grafeno.

SERS do sistema híbrido nanopartícula / grafeno. a SERS de monocamada de grafeno adsorvido no grafeno a partir do monômero de nanopartículas de Ag e sem partícula e esquema das amostras. b SERS de monocamada de grafeno adsorvido em grafeno a partir de dímero de nanopartículas de Ag e sem partícula e esquema das amostras

Os resultados mencionados acima revelam que os elétrons livres na superfície do grafeno induzem cargas de imagem na superfície das nanopartículas na região do infravermelho e o resultado é ainda confirmado na Fig. 4. A Figura 4a, b descreve as distribuições do campo elétrico do sistema em 3000 nm, que são compostas por diferentes dímeros de nanopartículas de permissividade e filme de grafeno em monocamada. Como mostrado na Fig. 4a, b, com a permissividade do dímero de nanopartículas diminuindo, o aumento do campo elétrico do sistema também se tornará muito fraco. Na Fig. 4c, o aumento do campo elétrico de grafeno monocamada sem nanopartícula também foi simulado, que é mais fraco do que na Fig. 4a, b. Em seguida, a Fig. 4d mostra a distribuição do campo elétrico do sistema, que é composto por SiO ₂ dímero de nanopartículas no SiO ₂ filme. O dímero e o filme são ambos não condutores, que dificilmente geram aumento de campo elétrico. As lacunas de partícula-partícula e partícula-filme nos sistemas foram definidas como 1 nm. Em comparação com a Fig. 4b, d, o aumento do campo elétrico mais forte na Fig. 4b ilustra que a energia da luz é confinada no filme de grafeno de monocamada apenas quando se usa o grafeno de monocamada como filme a 3000 nm. O resultado mencionado acima demonstra que os plasmons de grafeno podem ser induzidos na região do infravermelho, que pode produzir acoplamento eficaz com cargas de imagem no dímero de nanopartículas. No entanto, na Fig. 4c, o sistema não existe dímero de nanopartículas, o que leva a que os plasmons de grafeno em monocamada não possam induzir cargas de imagem. O fenômeno verifica ainda que a energia da luz pode ser confinada no filme de grafeno monocamada na região do infravermelho neste sistema híbrido de nanopartícula / grafeno. Além disso, na Fig. 4a, b, o dímero de nanopartículas de Si como semicondutor produz mais cargas de imagem do que SiO ₂ , portanto, o aumento do campo elétrico do sistema híbrido de nanopartículas de Si / grafeno é mais forte e mostra o melhor efeito de localização na lacuna do filme de partículas. Esses resultados possuem significados profundos para a aplicação de grafeno monocamada.

Distribuições de campos elétricos em diferentes sistemas híbridos de nanopartículas dielétricas / grafeno. a - c Distribuições de campo elétrico de diferentes dímeros de nanopartículas de permissividade em um filme de grafeno de monocamada com um intervalo de 1 nm a 3000 nm. a Si ( n =4,21 + 0,017i), b SiO ₂ ( n =1,5), c ar ( n =1). d Distribuições de campo elétrico de SiO ₂ dímero de nanopartículas em SiO ₂ filme com uma lacuna de 1 nm a 3000 nm

Conclusão

Em resumo, a distribuição do campo eletromagnético do sistema híbrido entre grafeno e nanopartículas metálicas foi investigada neste trabalho. Os resultados indicam que a luz confinada pelo plasmon de superfície é influenciada pelo comprimento de onda. Ou seja, o confinamento da luz está na lacuna entre as nanopartículas na região do visível e na superfície do grafeno na região do infravermelho. Nosso trabalho amplia o conhecimento do grafeno plasmon, que possui ampla aplicação em filmes relacionados ao grafeno.

Abreviações

CVD:: Deposição de vapor químico
EM:: Campo eletromagnetico
FDTD:: Domínio do tempo de diferença finita
PML:: Camada perfeitamente combinada
PMMA:: Poli (metacrilato de metila)
SEM:: Microscópio eletrônico de varredura
SERS:: Espectro Raman aprimorado de superfície

Análise da distribuição de Bi em GaAsBi epitaxial por HAADF-STEM com correção de aberração Thiacalix [4] arenes Remova os efeitos inibitórios dos cátions Zn na atividade ATPase da miosina

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