Schematiska diagram över två inställningar för koherent styrning av plasmonresonanser i planet. en Fiber-vågledarinterferometer. b Konfokalt mikroskop med mörkt fält (DF), där kvartbelysning kan tillgodoses genom att blockera 3/4 yta av den ringformiga bländaren. Upphovsman:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1
Ljus som infaller på metalliska nanopartiklar kan initiera elektronernas kollektiva rörelse, orsakar en stark förstärkning av det lokala elektromagnetiska fältet. Sådana plasmoniska resonanser har betydande roller i biosensing med förmåga att förbättra upplösningen och känsligheten som krävs för att detektera partiklar i skalan för den enda molekylen. Kontrollen av plasmonresonanser i metadepparater har potentiella tillämpningar inom heloptisk, ljus-mot-ljus-signalmodulering och bildbehandling. Rapporter har visat koherent kontroll av plasmonresonanser utanför planet genom att modulera metadatorer i stående vågor. I optiska enheter, ljus kan överföras längs ytorna för oöverträffad kontroll av plasmoner. När svängningar i ledande elektroner är kopplade till lätta fotoner, lokaliserade ytplasmonresonanser (LSPR) kan fungera som informationsbärare för optiska sensorer i nanostorlek och i datorer.
I en färsk studie, Liyong Jiang och medarbetare vid Nanjing University of Science and Technology demonstrerade två metoder för att belysa LSPR i planet som ett bevis på principen i guld-nanodiskar. Resultaten av deras arbete visade att LSPR:erna kunde växlas till olika tillstånd genom att justera infallsljuset för att koda logiska data till kedjor på ett sätt som hittills inte var möjligt med belysning utanför planet. Resultaten publiceras nu i Ljus:Vetenskap och applikationer .
Betydande ansträngningar under det senaste decenniet ägnades åt att studera ljus-materia-interaktioner på nanoskala i plasmoniska system. Möjligheten att kontrollera LSPR har lett till många praktiska tillämpningar, inklusive banbrytande exempel som:
In-plane koherent kontroll av plasmonresonanser i guld-nanodiskmonomerer. a, b Beräknade normaliserade absorptionsspektra för guld-nanodiskmonomerer med en diameter från 140 till 200 nm för s-polariserad planvåg i plan från höger sida (streckad linje) eller båda sidor (heldragen linje) utan fasfördröjning, eller med en fasfördröjning på π. "F" och "H" representerar grundläggande och högordnade plasmonresonanser. c – e Motsvarande rumsliga fördelningar av elektrisk fältamplitud | E |, verkliga delen Re (Ez), och imaginär del Im (Ez) för "F" och "H" -lägen (kvadrat- och cirkeltecken) för den representativa guldnanodiskmonomeren (D =160 nm) under asymmetrisk och symmetrisk belysning i planet. Under symmetrisk belysning i planet, vi kan observera fasfördröjningsberoende destruktiva/konstruktiva störningar för "F"-och "H" -lägena. Upphovsman:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1
Under de inledande utvecklingsstadierna forskare fokuserade på att kontrollera LSPR genom att utforma konfigurationer av de plasmoniska nanostrukturerna. De förstod storleks- och formberoende LSPR för enstaka plasmoniska nanopartiklar och kopplade plasmoniska system baserat på den klassiska Mie-teorin och väletablerade plasmoniska hybridiseringsmodeller. Dessutom, ljusstrålen belyste typiskt provytan från en riktning i konventionella optiska studier av enkla och kopplade nanoantenner.
Även om möjligheten att styra plasmonresonanser via belysning utanför planet har öppnat en ny väg för att modulera signaler, processen har visat begränsningar. Som ett resultat, Jiang et al. rapporterat om koherent kontroll av plasmonresonanser i planet i typiska metalliska nanoantenner. Forskarna gav en principiell demonstration av plasmoniska omkopplings- och kodningsapplikationer för enstaka och kopplade guldnanodiskar.
För att åstadkomma koherent kontroll av plasmonresonanser i laboratoriet, forskarna föreslog två möjliga experimentella inställningar. Den ena var baserad på en fiber-vågledarinterferometer, som mötte utmaningar under experiment. I jämförelse, den andra metoden inkluderade en mer bekväm, allmänt utnyttjad konfokal mikroskopi av mörkerfält. I denna, villkoret för helt symmetrisk belysning i planet kunde uppfyllas tidigt när ingångsljuset fokuserade på mitten av provet. För att konstruera asymmetrisk belysning i planet, forskarna blockerade tre fjärdedelar av området för den ringformiga bländaren. Jiang et al. visade att installationen var lämplig för att studera plasmoniska nanostrukturer med storlekar som är jämförbara med den fokuserade punktstorleken för den infallande ljusstrålen.
Demonstration av elektriska fältfördelningsregler för 200 nm guld nanodiskmonomer och dimer av s-SNOM. en schematisk bild av s-SNOM-mätningen för konfigurationer av s-s och s-p excitation-samling. Excitationslaserns våglängd är 633 nm och infallsvinkeln med avseende på substratets plan är 30 °. b Beräknat normaliserat absorptionsspektrum på 200 nm guld nanodiskmonomer och dimer vid infallsvinkel 30 ° under asymmetrisk (streckad linje) eller symmetrisk (heldragen linje) belysning utan fasfördröjning. Spaltstorleken i dimern är 30 nm. c Atomkraftsmikroskopiska (AFM) bilder av guld-nanodiskmonomer och dimer för s – s och s – p-mätningar. Den röda pilen representerar laserns förekomstriktning och den blå streckade linjen representerar nanodiskens centrala axel. d, e Experimentella och simulerade rumsliga fördelningar av amplituden | A |, fas ϕ, och verklig del av elektrisk fältkomponent Ey i s-s mätning och Ez i s-p mätning för 200 nm guld nanodisk monomer och dimer. Upphovsman:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1
För att konstruera guldnanodiskproverna på kiseldioxid/kiseldioxid (SiO 2 /Si) substrat, Jiang et al. använt elektronstråle litografi (EBL) tillsammans med en lyftprocess. De avslutade tillverkningsprocessen genom att belägga substratytan med en guldfilm och ett underliggande krom (Cr) vidhäftningsskikt med hjälp av elektronstråleindunstning. Forskarna studerade sedan koherent kontroll av plasmonresonanser i planet i guld-nanodiskarna och beräknade absorptionsspektra för guld-nanodiskmonomerer som sträcker sig från diametrar på 140 till 200 nm; tillverkad på SiO 2 /Si -substratyta.
I arbetet, de etablerade och experimentellt verifierade distributionsregeln för elektriska fältkomponenter för att realisera destruktiva och konstruktiva plasmonresonanser i en axelsymmetrisk plasmonisk nanostruktur. De visade hur den koherenta kontrollen av plasmonresonanser i planet starkt beroende av konfigurationen och symmetrin för plasmoniska nanostrukturer, jämfört med out-of-plane koherent kontroll. Denna funktion kan tillåta frihet att skräddarsy och konstruera flera plasmonresonanser i andra axelsymmetriska plasmoniska strukturer, som inkluderar nanosfärer, nanorod, nano bowtie och nanostructure polymerer.
Demonstration av plasmonisk växling med mörkt fält (DF) spridningsmätning av guldnanodiskmonomer och dimer. ett normaliserat DF -spridningsspektrum av guld -nanodiskmonomer med en diameter på 200 nm (SEM -bild) under hel och kvart belysning. b Motsvarande normaliserade simulerade spridnings- och absorptionsspektra. c, d Normaliserade uppmätta och simulerade DF -spridningsspektra av guld -nanodiskdimer med en diameter på 200 nm och en gapstorlek på 30 nm (SEM -bild) under hel- och kvartbelysning. De röda fasta kurvorna i c är utjämningsresultaten. Skalstapeln i SEM -bilder är 200 nm. e, f Polarisationsdiagram över hel- och kvartbelysning i DF -spridningsmätning och simulering för guldnanodiskmonomer och dimer. I både experiment och simulering, excitationen är s- eller p-polariserad och samlingen är opolariserad. De svarta och röda dubbelhuvudpilarna representerar den initiala polarisationen och polarisationen efter fokusering, respektive. Upphovsman:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1
För att avbilda plasmonresonanslägena i guld-nanodiskar använde forskarna en polarisationskänslig s-SNOM-teknik, som kan detektera ljus vid nanometerskaloregionerna direkt under spetsen av atomkraftmikroskopiska (AFM) sonden. Forskarna använde ett s-s/s-p geometrischema och engagerade en dielektrisk (Si) spets för mätningar. De belyste provet med laserstrålning med ett infallande ljus på 30 0 i förhållande till substratets plan. Jiang et al. mätte amplituden och fasen för den spridda signalen baserat på den fjärde övertonen av AFP-spetsens tappfrekvens. De använde en analysator framför detektorn för att välja den s- eller p-polariserade komponenten i det spridda ljuset.
Demonstration av plasmonisk växling med mörkt fält (DF) spridningsmätning av guldnanodiskmonomer och dimer. ett normaliserat DF -spridningsspektrum av guld -nanodiskmonomer med en diameter på 200 nm (SEM -bild) under hel och kvart belysning. b Motsvarande normaliserade simulerade spridnings- och absorptionsspektra. c, d Normaliserade uppmätta och simulerade DF -spridningsspektra av guld -nanodiskdimer med en diameter på 200 nm och en gapstorlek på 30 nm (SEM -bild) under hel- och kvartbelysning. De röda fasta kurvorna i c är utjämningsresultaten. Skalstapeln i SEM -bilder är 200 nm. e, f Polarisationsdiagram över hel- och kvartbelysning i DF -spridningsmätning och simulering för guldnanodiskmonomer och dimer. I både experiment och simulering, excitationen är s- eller p-polariserad och samlingen är opolariserad. De svarta och röda dubbelhuvudpilarna representerar den initiala polarisationen och polarisationen efter fokusering, respektive. Upphovsman:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1
Jiang et al. visade också plasmonisk växling med mörka fält (DF) spridningsmätningar av en guld -nanodiskmonomer eller dimer. I den experimentella installationen använde de ett konfokalt Raman -mikroskopisystem för att mäta spridningsspektra. De använde sedan kommersiellt tillgängliga mjukvarupaket för att genomföra numeriska simuleringar i studien. Simuleringarna inkluderade elektriska fältfördelningar, absorptions- och spridningsspektra för guld -nanodiskar. De simulerade de komplexa elektromagnetiska parametrarna för guld och krom som ingår i den experimentella uppställningen, baserat på tidigare publikationer.
Plasmonisk kodning i guld -nanodiskkedjor. a Beräknat absorptionsspektrum för guld-nanodiskkedjor bestående av olika antal nanodiskar belysta av den s-polariserade planplanvågan som kommer från höger sida (streckad linje) eller båda sidor (heldragen linje). Nanodiskens diameter är 140 nm och separationsavståndet är 30 nm. De destruktiva och konstruktiva plasmonresonanserna representeras av gröna och röda färger, respektive. b Rumsfördelningar av elektrisk fältamplitud | E | för "F" -plasmonresonanser (topposition) under symmetrisk belysning. c Skivade elektriska fältamplitudfördelningar längs kedjans kant (den vita streckade linjen i b). d – g Motsvarande rumsliga fördelningar av verklig och imaginär del av Ez när den s-polariserade planplanvågan kommer från vänster sida (d, f) och höger sida (e, g) respektive. Upphovsman:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0134-1
På det här sättet, Jiang et al. visat principiellt plasmonisk omkoppling och kodning i studien. De förväntar sig fler potentiella tillämpningar baserat på den visade förmågan för koherent kontroll av plasmonresonans i planet. Till exempel, forskare kan använda metoden för att studera selektiva ytförstärkta spektra, där fotoluminescensen eller Ramansignalen från flera molekyler selektivt kan förbättras. Detta möjliggör kontroll av på/av-tillståndet för flera plasmonresonanser i en gemensam nano-antenn. Forskarna föreslår att det plasmoniska kodningsschemat som visas i studien utvidgas till att omfatta plasmonisk avbildning, nanolasning och optisk kommunikation i nanokretsar. Till exempel, forskare kan kombinera plasmoniska nanostrukturkedjor med olika kodningsegenskaper för att bygga logiska grindar (för booleska logiska operationer) samt designa flerkanaliga vågledare för all-optisk informationslagring och processer.
© 2019 Science X Network
