均一取向等离子体二聚体的制备及光学机理

doi:10.7503/cjcu20210289

摘要/Abstract

摘要：

以单层SiO₂胶体微球为模板, 利用Au/SiO₂/Au交替沉积结合后退火处理的方法, 制备了一种垂直堆叠且均一取向的等离子体二聚体结构. 该方法具有很大的自由度, 可以通过调节实验流程来制备大面积取向相同的同质或异质纳米粒子二聚体. 所制备的纳米粒子的等离子体杂化效应明显, 在消光光谱中可以观察到成键及反键共振峰. 由于所得纳米粒子二聚体具有垂直堆叠的特殊规整取向, 还可以观察到所得样品等离子体吸收峰的角度依赖特性. 此外, 还探讨了Au/SiO₂/Au同质二聚体和Au/SiO₂/Ag异质二聚体的光学特性差异, 发现与Au/SiO₂/Au同质二聚体相比, Au/SiO₂/Ag异质二聚体由于Ag偶极等离子体模式与Au带间吸收的耦合而呈现Fano共振峰. 所得结果提供了一个调节贵金属等离子体光学共振峰位、强度和波形的策略, 在纳米光子学领域有着广阔的应用前景, 对今后的实验和理论研究具有重要参考价值.

关键词: 等离子体共振, 金属纳米粒子二聚体, 胶体刻蚀

Abstract:

Vertically stacked plasmonic dimers were succussfully fabricated by step-by-step evaporation of Au， SiO₂ and Au（or Ag） with monolayer colloidal spheres mask followed by annealing treatment. The novel method offers sufficient degree of freedom to construct both homo- and hetero- plasmonic dimers with the same orientation over a macroscopic scale. Hybridization between the plasmon modes of the top and bottom nanoparticle was clearly observed. As the hybridization between nanoparticles was orientationally dependent， the vertically stacked nanoparticle dimers exhibited a unique angular dependent extinction property. Moreover， the difference of optical property between Au/SiO₂/Au homo-dimers and Au/SiO₂/Ag hetero-dimers was discussed. In contrast with Au/SiO₂/Au homo-dimers， Fano profiles are present in Au/SiO₂/Ag hetero-dimers due to the coupling between Ag dipole plasmon mode and Au interband absorption. This work offer a versatile strategy to tune the location， strength， as well as line shape of optical resonances of noble metallic nanoparticles. We believe that the plasmonic dimers obtained have both experimental and theoretical potentials in the nanophotonics realm.

Key words: Plasmonic resonance, Metallic nanoparticle dimer, Colloidal lithography

中图分类号:

O614

TrendMD:

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图/表 8

Scheme 1 Illustration of the procedure for the fabrication of vertically stacked Au NP dimers using colloidal lithography combined with thermal annealing treatment

Fig.1 SEM images(A─C) and AFM measurements(D─F) of Au triangle “sandwich” NP at room temperature(A, D) and annealed at 300 ℃(B, E) and 500 ℃(C, F) for 1 h, respectivelyInsets are magnified views of corresponding images.

Fig.2 UV?Vis?NIR extinction spectra evolution for different samples upon thermal treatment at different temperatures(A) Au triangle NP; (B) Au triangle NP coated with silica; (C) Au/SiO2/Au triangle “sandwich” NP.

Fig.3 UV?Vis?NIR extinction spectra of Au/SiO2/Au sandwich NP fabricated by thermal annealing at 300 ℃The red line: Au dot NP; the blue line: Au triangle NP coated with silica; the black line: Au dot?on?triangle NP. The numbers above the lines(1, 2, 3, 4, 4′, 5, 5′) indicate the corresponding peaks for the energy hybridization discussion.

Fig.4 Energy diagram of Au/SiO2/Au sandwich NP fabricated by anyenling at 300 ℃, showing linear superposition of dipole resonance of top layer Au NP(Ψ1) with dipole(Ψ2) and quadrupole(Ψ3) resonances of bottom layer Au triangles

Fig.5 UV?Vis?NIR extinction spectra of vertically stacked Au NP dimers annealed at 500 ℃ as a function of the deflection angle(0°—60°)Line 1(black): Au triangle NP; line 2(red): Au triangle NP coated with silica.

Fig.6 Hybridization mode of coupled dipole resonances between two Au NP of vertically stacked Au NP dimers annealed at 500 ℃

Fig.7 UV?Vis?NIR extinction spectra of vertically stacked Au/SiO2/Ag NP dimers as a function of the deflection angle(0°—60°)

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