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低维论文

复合金属纳米结构中等离子的新进展

摘要：

贵金属纳米结构由于它们集体电子振荡具有新颖的光学性质,称为表面等离子体（SPs）。

SPs的共振强烈依赖于材料,周围环境,以及纳米结构的几何形状。

复合金属纳米结构由于自由度裁剪的电浆子属性更高级的应用程序无法通过简单的吸引了研究兴趣。

在本文中,我们讨论几种典型的复合金属纳米结构类型的等离子属性,即电磁耦合纳米颗粒（NPs）,NPs/金属膜层,NPs/纳米线（NWs）,纳米线/纳米线,或电介质涂层和金属纳米结构负载。

在（局部的表面等离子体起关键作用的纳米颗粒系统中主要讨论了电磁场增强和表面增强拉曼散射的应用。

扩散表面等离子体激元、等离子路由器相关应用和使用纳米线网络的逻辑门也进行了综述。

电介质基质和金属纳米结构的环境对等离子激元特性的影响也会被讨论。

关键词：

表面等离子体、复合金属纳米结构、表面增强拉曼散射、逻辑门

Newprogressofplasmonicsincomplexmetalnanostructures

Abstract:

Noblemetalnanostructurespossessnovelopticalpropertiesbecauseoftheircollectiveelectronicoscillations,knownassurfaceplasmons（SPs）.TheresonanceofSPsstronglydependsonthematerial,surroundingenvironment,aswellasthegeometryofthenanostructures.Complexmetalnanostructureshaveattractedresearchinterestbecauseofthedegreeoffreedomintailoringtheplasmonicpropertiesformoreadvancedapplicationsthatareunattainablebysimpleones.Inthisreview,wediscusstheplasmonicpropertiesofseveraltypicaltypesofcomplexmetalnanostructures,thatis,electromagneticallycouplednanoparticles（NPs）,NPs/metalfilms,NPs/nanowires（NWs）,NWs/NWs,andmetalnanostructuressupportedorcoatedbydielectrics.Theelectromagneticfieldenhancementandsurface-enhancedRamanscatteringapplicationsaremainlydiscussedin

theNPssystemswherelocalizedSPshaveakeyrole.PropagatingsurfaceplasmonpolaritonsandrelevantapplicationsinplasmonicroutersandlogicgatesusingNWsnetworkarealsoreviewed.Theeffectofdielectricsubstratesandsurroundingsofmetalnanostructurestotheplasmonicpropertiesisalsodiscussed.

Keywords：

surfaceplasmons,complexmetalnanostructures,SERS,plasmonicrouter

1、介绍

由于独特的光学性质,等离子在纳米技术领域成为最有趣和最活跃的研究领域之一。

在金属纳米粒子（NPs）中，由于在所有三维中自由电子的集体振荡被限制束缚,导致驰名的局部表面等离子体。

一阵的兴奋后,LSPs在NPs表面上产生大的电磁场增强,已广泛应用于表面增强光谱,光能,催化等。

由于LSPs共振（LSPR）对介质环境非常敏感,导致一系列LSPR传感技术。

在金属薄膜和纳米线（NWs）中,电子可以在一维或者二维中自由移动,从而扩散表面等离子体激元（SSPs）可以沿着金属/电介质界面激活和传播。

SSPs的传播特点已经建立许多重要的应用包括等离子路由器,逻辑门和光学电路。

然而单金属纳米结构的光学性质特性已经被广泛的研究可调，更可调的表面等离子体和更高级的应用可以通过讲单一物质组装成复合的纳米结构而实现。

最简单的例子,当两金属纳米颗粒放置在靠近彼此的位置,得到在其中一纳米颗粒和另外一颗粒强烈耦合的等离子体模式，因此,新的杂化等离子体模式形成和额外的电磁场在间隙中增强。

近场耦合的强度主要由间距,激发波长和偏振决定的。

这里我们将讨论在几种典型类型的复合金属纳米结构中等离子体的最近进展,包括NPs聚合物,在金属薄膜中的NPs,耦合NPs/纳米线、纳米线/纳米线,金属纳米结构负载/或电介质层镀膜。

在NPs、NPs/NWs以及NPs/金属薄膜之间的纳米间隙的电磁耦合和拉曼增强将被讨论。

对于金属纳米线、传播SPPs的特点和应用如等离子路由器和逻辑门等将被叙述。

由于介质基质和环境大大影响SPs的共振,我们还将讨论NPs或NWs负载和/或电介质层镀膜定义它作为一种特殊的金属电介质纳米结构。

2、耦合金属NPs

在NPs二聚体中电磁耦合效应取得了深入的研究。

等离子体杂交理论是由Prodan等提供了一个直观的等离子体模型耦合的物理图像而发展的。

如果入射电场平行于恒等NPs二聚体的轴,近场耦合远比在垂直极化下的强。

间距是另一个决定耦合的重要参数。

随着间距的缩短,纵向等离子体模型的能量降低和共振峰红移。

红移的定量描述可以使用驰名的等离子体尺来测量。

两个不同的NPs组成的二聚体,即异质二聚体,SP模型这两个阶段的粒子有相位差,和新颖的光学特性,如法诺共振产生。

非球面NPs间的电磁场也依赖与两NPs之间的相对取向。

在纳米间隙二聚体的电磁耦合导致巨大的电磁场增强。

图1给出了通过514.5纳米激光在不同极化角激发出的90纳米、间距为5.5纳米的Ag纳米粒子的近场图。

可以看出,诱导电磁场集中在这间隙,如果入射电场平行于二聚体轴，则震级是最强的（图1（a）），如果极化正交则单个的纳米颗粒几乎完全相同。

图1两个Ag纳米粒子在不同偏振角下的近场图

对于SERS应用，强烈束缚纳米间隙诱导电磁场是最高的系统。

各种类型的纳米间隙为了SERS已经被发展出来,例如,在纳米孔或NPs数组,纳米孔/纳米颗粒对,纳米立方体二聚体和纳米棒二聚体。

事实上,在某种程度上纳米间隙效应影响引起了等离子体中的一系列的有趣的话题,不仅包括单分子SERS,还有等离子天线、等离子镊子,量子等离子和非线性等离子。

如果粒子表面粗糙而非光滑纳米间隙二聚物在某些距离下场增强可以进一步改善。

最近,梁等，报道从化学合成花状Ag颗粒二聚体里SERS巨大增强。

花状Ag颗粒大约一微米直径,并且可以用传统光学显微镜下的显微探针方便地操纵。

图2（b-i）显示了用显微操作的二聚体的一个典型的扫描电镜图像。

相应的SERS图像如图2所示（b-ii）表明在激发极化平行二聚物轴（蓝色箭头）“热点”在间隙中形成。

偏振依赖于SERS图像证明在间隙中的强电磁场也是粒子间耦合的一个结果。

图2b-i二聚体的扫描电镜图像b-ii相应的SERS图像

3、耦合纳米颗粒/金属薄膜和纳米颗粒/纳米线

3.1在金属薄膜上的纳米颗粒（NPOF）

如果入射电场垂直于表面的组件衬底的表面偶极子诱导偶极子图像在衬底,并与它。

一金属薄膜上的一金属纳米颗粒系统:

对电磁图像的纳米颗粒对,在纳米颗粒上的LSP共振是变化的。

金属薄膜的一个重要事实是,负载传播等离子体,也就是说,SPPs根据LSPs与SPPs的相对能量也改变了纳米颗粒等离子体共振。

此外,相互反应主要取决于纳米颗粒和基质之间的距离（可以使用分子链接器、薄介质壳或原子层沉积电介质隔片控制）。

纳米颗粒与粒子图像之间的电磁耦合实际上与两个真正的NPs之间的耦合相似，在纳米颗粒与薄膜之间间隙产生大的场增强。

Mubeen等系统地研究了从一个厚膜超薄氧化物的一层厚的金薄膜分离出来的金纳米颗粒的光学响应。

图3（a）-（c）高角环形暗场像-扫描透射电子显微镜（HAADFSTEM）的临近金薄膜（从使用ALD技术存储的一薄的电介质隔片中分离的）的金纳米颗粒图像显示了原理图和分类排列。

实验和模拟显示当入射角（图3（d）中定义）是60°（不同于在NP二聚物的情况）时，SERS增强产生最大增强。

这是因为在薄膜上一个给定的点的电磁场是入射电磁场和表面反射的电磁场的相干叠加。

图3a为HAADFSTEM下临近金薄膜的金纳米颗粒图像；b和c分别为a相应的原理图

和分类排列图；d和e实验和模拟显示不同入射角的SERS最大增强

重要的是要注意,上述“图像粒子”图片只有薄膜的厚度又远远大于直径的NP和这薄膜可以作为一镜像才能持有。

金属薄膜,纳米颗粒的LSPs和底层金属薄膜的非局域连续等离子体之间的相互反应是类似于局域化的电子状态和连续离域电子状态之间的相互反应,也就是说,一个金属的能带结构,可以使用无自旋Anderson-Fano模型的电磁场模拟描述。

这种类型的相互反应可能产生有趣的现象——共振粒子薄膜的虚拟状态。

3.2纳米颗粒对/纳米线

金属纳米线近年来吸引了研究重点。

由于纳米线的一维几何结构,光可以被耦合,在亚波长尺度限制,沿着纳米线传播,并远程回送。

在金属纳米线中的SPP特征已经被深入调查,包括多样表面等离子体模式的激发和传播、纳米线终端的发射方向、入射和反射极化之间的相互性、基质和在传播损失弯曲度的影响。

大量的应用也已实现,例如,在SERS的远程激发和荧光荧光反应、以纳米线为基底的等离子路由器、调节器、全光的布尔逻辑门。

最近引用其他地方的一些评论。

注意出于实际应用,化学合成金属纳米线通常是首选的,因为它们单晶属性因而的低传输损耗。

对于光滑的金属纳米线,SPP可以通过结束时聚焦光而激发,或通过在全内反射下的隐失场激发,在远端发出。

在中间部分,光不能直接耦合到金属纳米线中,反之亦然,耦合,因为在电介质中入射光子和在金属/电介质界面的SPPs之间的动量不匹配。

但是,如果创建间断点,例如,一个金属纳米线移动到靠近一个纳米线,SPP通过散射可以有效地耦合。

因此,在间隙纳米线和纳米颗粒之间的耦合可以生成一个热点,致使远程SERS。

图4（a）和（b）显示了在一个玻璃结构上的一个AgNW-NP结构的扫描电镜和光学图像。

当激光聚焦在纳米线的左边终端,SPPs可以沿着纳米线传播,并从其他终端发出，如图4（c）所示。

箭头表示激光的偏振方向。

在纳米颗粒/纳米线连接处，SPPs发散耦合进纳米颗粒，导致一个激烈的电磁场（激发分子吸附在上的拉曼增强）。

图4（d）-（h）表示了远程SERS图像和相应的光谱。

图4a和b显示了在一个玻璃结构上的一个AgNW-NP结构的扫描电镜和光学图像；c中箭头表示激光的偏振方向图；d-h表示了远程SERS图像和相应的光谱.

如果激光直接阐明了NP-NW结,NP和NW之间的电磁耦合,在某种程度上,类似于NP/金属薄膜结构。

当激发极化正交纳米线,局域化纳米颗粒等离子体与连续纳米线等离子体强烈耦合,从而在链接结中显著增强的电磁场可以生成导致明显的拉曼增强,如图5所示（a）和（b）。

电磁耦合