Redistribusi Medan Elektromagnetik dalam Nanopartikel Logam pada Grafena

Hasil dan Diskusi

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1, distribusi medan listrik monomer dan dimer nanopartikel Ag pada sistem hibrida film graphene monolayer dihitung di bawah panjang gelombang eksitasi 633, 2000, dan 3000 nm, secara terpisah. Gambar 1a menunjukkan distribusi medan listrik sistem, yang mencakup monomer nanopartikel Ag 100 nm pada film graphene monolayer pada 633 nm. Distribusi medan listrik sepenuhnya terlokalisasi di sisi nanopartikel tetapi hampir tidak ada di celah film partikel. Distribusi medan listrik pada dimer nanopartikel Ag pada 633 nm ditunjukkan pada Gambar 1b. Medan listrik terutama terbatas pada celah partikel-partikel. Dibandingkan dengan medan listrik celah partikel-partikel, medan listrik di luar celah partikel-partikel bisa sangat lemah. Dan pada Gambar 1b, satu batang skala digunakan untuk menggambarkan intensitas medan listrik dari celah partikel-partikel dan partikel-grafena. Dengan demikian, peningkatan medan listrik yang jelas tidak dapat dilihat. Pada 633 nm, peningkatan medan listrik hanya berasal dari kopling efektif partikel-partikel daripada kopling partikel-film dalam sistem, sehingga energi cahaya terutama terbatas pada celah partikel-partikel. Ketika panjang gelombang diubah menjadi panjang gelombang inframerah, 2000 nm, distribusi medan listrik ditunjukkan pada Gambar 1c, d. Perubahan panjang gelombang menyebabkan redistribusi medan listrik sistem. Pada Gambar 1d, dimer pada graphene monolayer menghasilkan efek yang lebih nyata daripada hanya menggunakan casing monomer. Distribusi medan listrik tidak hanya ada di sisi partikel, tetapi juga di celah film partikel. Meskipun peningkatan medan listrik dari celah partikel-film lebih lemah daripada yang ada di celah partikel-partikel, itu tidak dapat diabaikan. Hasilnya membuktikan bahwa plasmon graphene monolayer telah menghasilkan efek efektif pada peningkatan medan listrik sistem dan energi cahaya terbatas pada celah partikel-partikel dan permukaan graphene pada 2000 nm. Setelah itu, sumber cahaya inframerah, panjang gelombang 3000 nm, digunakan dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar 1e, f. Gambar 1e, f menjelaskan bahwa peningkatan medan listrik terkuat dihasilkan di celah film partikel pada 3000 nm. Oleh karena itu, energi cahaya terbatas pada permukaan graphene monolayer pada 3000 nm. Distribusi medan listrik dalam hal panjang gelombang lebih banyak ditempatkan di File tambahan 1. Dibandingkan dengan distribusi medan listrik pada kondisi panjang gelombang yang berbeda, ditemukan bahwa energi cahaya lebih terfokus pada graphene monolayer pada 3000 nm. Selanjutnya, karena 633 nm lebih dekat ke puncak resonansi partikel nano Ag, faktor peningkatan medan listriknya adalah 2,3 × 10 ² pada 633 nm, yang lebih kuat daripada yang tereksitasi pada 3000 nm. Hasil simulasi mengungkapkan fitur sistem:mengubah panjang gelombang laser dapat menyebabkan redistribusi medan listrik, yang memanfaatkan energi cahaya yang berfokus pada permukaan graphene. Alasan untuk menghasilkan fenomena ini karena permitivitas graphene monolayer di bawah kondisi panjang gelombang yang berbeda. Pada 633 nm, permitivitas graphene monolayer adalah 1,539, yang menyatakan sifat dielektrik. Namun, permitivitas graphene monolayer adalah 19,083 pada 3000 nm, yang mirip dengan logam. Properti graphene monolayer di bawah panjang gelombang yang berbeda mengarah ke redistribusi medan listrik sistem. Studi sebelumnya menunjukkan kopling efektif partikel dan film memainkan peran penting dalam sistem ini yang terdiri dari film emas dengan dimer nanopartikel Ag 100-nm yang terletak 1 nm di atas film pada 633 nm. Oleh karena itu, energi cahaya dapat difokuskan pada lapisan emas di bawah dimer nanopartikel logam [28]. Dibandingkan konsekuensi yang disebutkan di atas, terbukti bahwa energi cahaya terutama dapat difokuskan pada permukaan graphene monolayer oleh dimer logam di wilayah inframerah.

Redistribusi medan listrik dalam sistem hibrid nanopartikel / graphene. a , b Distribusi medan listrik R = 50 nm nanopartikel monomer dan dimer pada film graphene monolayer dengan celah 1 nm pada 633 nm, c , d pada 2000 nm, dan e , f pada 3000 nm

Untuk memahami secara mendalam mekanisme fisik dari fenomena di atas, distribusi muatan permukaan sistem film dimer pada berbagai panjang gelombang dirangsang pada Gambar 2. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2a, sejumlah besar elektron bebas terbatas pada permukaan nanopartikel. Namun, dengan perubahan panjang gelombang tereksitasi, sebagian besar elektron bebas berkumpul di permukaan graphene monolayer pada 3000 nm pada Gambar 2c, dan distribusi muatan permukaan nanopartikel pada 633 nm menghadirkan efek lokalisasi yang lebih kuat daripada pada 3000 nm. Hasilnya lebih lanjut dikonfirmasi pada Gambar. 2b, d, yang menggambarkan distribusi muatan permukaan graphene monolayer pada 633 dan 3000 nm dalam sistem hibrid dimer/film emas nanopartikel Ag 100-nm. Pada 3000 nm, elektron bebas dari sistem terutama berkumpul di bagian bawah nanopartikel untuk membentuk kopling yang relatif kuat dengan graphene monolayer, yang mengarah pada peningkatan medan listrik sistem yang sebagian besar terlokalisasi pada celah partikel-film. Kemudian, batang skala distribusi muatan permukaan sistem dan batang skala distribusi muatan permukaan graphene monolayer adalah seragam di bawah kondisi panjang gelombang tereksitasi yang sama. Dalam perbandingan Gbr. 2b, d, tidak ditemukan bahwa proporsi sistem pengumpulan muatan pada permukaan graphene monolayer pada 633 nm kurang dari proporsi pada 3000 nm. Sisipan pada Gambar 2b, d menyajikan intensitas medan listrik dari celah horizontal dan vertikal masing-masing pada 633 dan 3000 nm. Pada 633 nm, peningkatan medan listrik dari celah vertikal lebih kuat dari pada celah horizontal, yang menunjukkan bahwa energi cahaya difokuskan pada celah horizontal. Secara keseluruhan, pada rentang yang terlihat, hibridisasi dipol partikel-partikel membuat elektron bebas berkumpul di nanopartikel, yang mengarah pada peningkatan medan listrik yang kuat di celah partikel-partikel dalam sistem hibrid dimer/grafena Ag nanopartikel. Pada daerah inframerah, karena sifat logam graphene dan nanopartikel Ag jauh dari puncak resonansi, elektron bebas pada permukaan graphene menginduksi muatan gambar pada permukaan nanopartikel. Dengan demikian, penggabungan elektron bebas pada permukaan graphene dan muatan gambar pada permukaan nanopartikel menghasilkan peningkatan medan listrik di celah film partikel. Hasilnya juga menunjukkan bahwa energi cahaya dapat dibatasi pada permukaan graphene di wilayah inframerah.

Redistribusi muatan permukaan dalam sistem hibrid nanopartikel / graphene. Distribusi muatan permukaan R = 50 nm Ag nanopartikel dimer pada graphene monolayer dengan celah 1-nm a pada 633 nm dan c pada 3000 nm. Distribusi muatan permukaan di permukaan graphene R = 50 nm Ag nanopartikel dimer pada graphene monolayer dengan celah 1-nm b pada 633 nm dan d pada 3000 nm. Representasi interaksi dipol muatan yang dideduksi pada 633 dan 3000 nm ditunjukkan di sebelah kanan Gbr. 2

Pada Gambar. 3, batang skala pada gambar SEM (scanning electron microscope) menunjukkan monomer dan dimer nanopartikel Ag memiliki diameter yang sama sekitar 100 nm. Spektrum SERS pada Gambar. 3a berasal dari daerah di mana monomer nanopartikel Ag dan tanpa partikel masing-masing berada pada graphene monolayer. Tujuan kami juga mengumpulkan Raman graphene tanpa partikel Ag adalah untuk menyoroti bahwa nanopartikel Ag dapat meningkatkan sinyal Raman melalui peningkatan medan listrik. Diagram skematis sistem ditampilkan di sebelah kanan Gambar 3a. Intensitas Raman yang semakin kuat menggambarkan bahwa monomer nanopartikel Ag dapat menghasilkan peningkatan Raman. Untuk memverifikasi lebih lanjut hasilnya, spektrum Raman graphene monolayer dengan dimer nanopartikel Ag juga diukur pada Gambar. 3b. Diagram skematis sistem juga ditampilkan di sebelah kanan Gambar 3b. Efek peningkatan Raman yang jelas juga diamati pada Gambar 3b, yang konsisten dengan Gambar 3a. Hasil ini juga menunjukkan sinyal Raman dari graphene monolayer dapat ditingkatkan dengan nanopartikel Ag. Tetapi ada perbedaan bahwa faktor peningkatan simulasi dimer pada Gambar 1b lebih besar daripada yang ditentukan secara eksperimental pada Gambar 3b. Di satu sisi, peningkatan medan listrik terlokalisasi di celah partikel-partikel pada Gambar 1b, tetapi nanopartikel diendapkan pada permukaan graphene dalam percobaan. Dengan demikian, perbedaan terutama berasal dari perbedaan wilayah medan peningkatan listrik dan permukaan kontak. Hasilnya memverifikasi bahwa celah partikel-film tidak menghasilkan peningkatan medan listrik dan selanjutnya menunjukkan energi cahaya terbatas pada celah partikel-partikel pada 633 nm. Di sisi lain, parameter geometrik ideal dari struktur nano digunakan dalam simulasi, meskipun sulit untuk dicapai dalam eksperimen yang sebenarnya. Selain itu, bentuk, kekasaran permukaan, dan celah partikel-partikel juga dapat mempengaruhi faktor peningkatan, yang dapat menyebabkan ketidakselarasan. Perlu dicatat bahwa pita D dari graphene monolayer sebagian besar diinduksi ketika spektroskopi Raman dari Ag nanopartikel-graphene diukur. Penjelasan teoritis yang tepat dari fenomena tersebut adalah elektron bebas dari nanopartikel Ag dapat menghasilkan energi yang lebih kuat untuk secara efektif membangkitkan pita D dari graphene monolayer.

SERS sistem hibrid nanopartikel/graphene. a SERS graphene monolayer teradsorpsi pada graphene dari monomer nanopartikel Ag dan tanpa partikel dan skema sampel. b SERS graphene monolayer teradsorpsi pada graphene dari dimer nanopartikel Ag dan tanpa partikel dan skema sampel

Hasil tersebut di atas mengungkapkan bahwa elektron bebas pada permukaan graphene menginduksi muatan gambar pada permukaan nanopartikel di wilayah inframerah dan hasilnya lebih lanjut dikonfirmasi pada Gambar 4. Gambar 4a, b menggambarkan distribusi medan listrik sistem pada 3000 nm, yang terdiri dari dimer nanopartikel permitivitas yang berbeda dan film graphene monolayer. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a, b, dengan penurunan permitivitas dimer nanopartikel, peningkatan medan listrik sistem juga akan menjadi sangat lemah. Pada Gambar 4c, peningkatan medan listrik graphene monolayer tanpa nanopartikel juga disimulasikan, yang lebih lemah dari pada Gambar 4a, b. Kemudian, Gambar 4d menunjukkan distribusi medan listrik sistem yang terdiri dari SiO₂ dimer nanopartikel pada SiO₂ film. Dimer dan film keduanya nonkonduktor, yang hampir tidak menghasilkan peningkatan medan listrik. Kesenjangan partikel-partikel dan film partikel dalam sistem keduanya ditetapkan sebagai 1 nm. Dibandingkan dengan Gambar 4b, d, peningkatan medan listrik yang lebih kuat pada Gambar 4b menggambarkan bahwa energi cahaya terbatas pada film graphene monolayer hanya ketika menggunakan graphene monolayer sebagai film pada 3000 nm. Hasil tersebut di atas menunjukkan bahwa plasmon graphene dapat diinduksi pada daerah inframerah, yang dapat menghasilkan kopling efektif dengan muatan gambar di dimer nanopartikel. Namun, pada Gambar. 4c, sistem tidak ada dimer nanopartikel, yang menyebabkan bahwa plasmon graphene monolayer tidak dapat menginduksi muatan gambar. Fenomena lebih lanjut memverifikasi bahwa energi cahaya dapat dibatasi pada film graphene monolayer di wilayah inframerah dalam sistem hibrida nanopartikel / graphene ini. Selanjutnya, pada Gambar. 4a, b, dimer nanopartikel Si sebagai semikonduktor menghasilkan muatan gambar yang lebih banyak daripada SiO₂ , sehingga peningkatan medan listrik sistem hibrid Si nanopartikel/graphene lebih kuat dan menunjukkan efek lokalisasi yang lebih baik pada celah film partikel. Hasil ini memiliki makna yang mendalam untuk penerapan graphene monolayer.

Distribusi medan listrik dalam sistem hibrida nanopartikel / graphene dielektrik yang berbeda. a –c Distribusi medan listrik dari dimer partikel nano permitivitas yang berbeda pada film graphene monolayer dengan celah 1 nm pada 3000 nm. a Si (n = 4.21 + 0.017i), b SiO₂ (n = 1.5), c udara (n = 1). d Distribusi medan listrik SiO₂ dimer nanopartikel pada SiO₂ film dengan celah 1 nm pada 3000 nm