그래핀에서 금속 나노입자의 전자기장 재분배

결과 및 토론

그림 1과 같이 단층 그래핀 필름 하이브리드 시스템에서 Ag 나노입자 단량체와 이량체의 전계 분포는 여기 파장 633, 2000, 3000 nm에서 각각 계산되었습니다. 그림 1a는 633nm에서 단층 그래핀 필름에 100nm Ag 나노입자 단량체를 포함하는 시스템의 전기장 분포를 보여줍니다. 전기장의 분포는 전체적으로 나노입자 측면에 국한되지만 입자막의 틈에는 거의 존재하지 않는다. 633nm에서 Ag 나노입자 이량체의 전기장 분포는 그림 1b에 나와 있습니다. 전기장은 주로 입자-입자의 간격에 국한됩니다. 입자-입자 간극의 전기장과 비교할 때 입자-입자 간극 외부의 전계는 매우 약할 수 있습니다. 그리고 그림 1b에서 입자-입자 간극과 입자-그래핀 간극의 전계 강도를 설명하기 위해 하나의 눈금 막대를 사용했습니다. 따라서, 명백한 전기장 향상은 볼 수 없었다. 633nm에서 전기장 향상은 시스템에서 입자-막의 결합보다 입자-입자의 효과적인 결합에서 비롯되므로 빛 에너지는 주로 입자-입자의 간격에 국한됩니다. 파장을 적외선 파장인 2000nm로 변경했을 때의 전기장의 분포는 Fig. 1c, d와 같다. 파장 변화는 시스템의 전기장 재분배로 이어집니다. 그림 1d에서 단층 그래핀 위의 이량체는 단량체의 경우에만 사용하는 것보다 더 뚜렷한 효과를 나타냅니다. 전기장의 분포는 입자의 측면뿐만 아니라 입자-막의 틈에도 존재합니다. 입자-막 간극의 전계 강화는 입자-입자 간극보다 약하지만 무시할 수 없다. 이 결과는 단층 그래핀 플라즈몬이 시스템의 전기장 향상에 효과적인 효과를 생성했으며 빛 에너지가 2000nm에서 입자-입자와 그래핀 표면의 갭에 국한된다는 것을 증명합니다. 이후 3000nm 파장의 적외선 광원을 사용하였고 그 결과를 Fig. 1e, f에 나타내었다. 그림 1e, f는 3000nm에서 입자 필름의 갭에서 가장 강한 전계 향상이 발생함을 설명합니다. 따라서 빛 에너지는 3000nm에서 단층 그래핀 표면에 국한됩니다. 더 많은 파장의 경우 전계 분포는 추가 파일 1에 배치됩니다. 다른 파장 조건에서의 전계 분포와 비교하여 3000nm에서 단층 그래핀에 빛 에너지가 더 잘 집중되는 것을 알 수 있습니다. 또한, 633nm는 Ag 나노입자의 공명 피크에 더 가깝기 때문에 전계 향상 계수는 2.3 × 10 ² 입니다. 633nm에서, 이는 3000nm에서 여기된 것보다 더 강력합니다. 시뮬레이션 결과는 시스템의 특징을 나타냅니다. 레이저 파장을 변경하면 전기장 재분배가 발생할 수 있으며, 이는 그래핀 표면에 초점을 맞춘 빛 에너지를 이용할 수 있습니다. 이러한 현상이 발생하는 이유는 서로 다른 파장 조건에서 단층 그래핀의 유전율 때문이다. 633nm에서 단층 그래핀의 유전율은 1.539로 유전체의 특성을 나타냅니다. 그러나 단층 그래핀 유전율은 3000nm에서 - 19.083으로 금속과 유사하다. 다른 파장에서 단층 그래핀의 특성은 시스템의 전기장 재분배를 유도합니다. 이전 연구는 입자와 필름의 효과적인 결합이 633nm에서 필름 위 1nm에 위치한 100nm Ag 나노입자 이합체가 있는 금 필름으로 구성된 이 시스템에서 중요한 역할을 한다는 것을 보여줍니다. 따라서 빛 에너지는 금속 나노입자 이량체 아래의 금막에 집중될 수 있다[28]. 앞서 언급한 결과와 비교하여, 적외선 영역에서 금속 이합체에 의해 빛 에너지가 주로 단층 그래핀 표면에 집중될 수 있음이 분명합니다.

나노입자/그래핀 하이브리드 시스템의 전기장 재분배. 아 , b R의 전기장 분포 =633nm에서 1nm 간격이 있는 단층 그래핀 필름의 50nm 나노입자 단량체 및 이량체, c , d 2000nm에서 e , f 3000nm에서

위 현상의 물리적 메커니즘을 깊이 이해하기 위해 다양한 파장에서 이량체-필름 시스템의 표면 전하 분포를 그림 2에서 자극하였다. 그림 2a에서 보는 바와 같이 많은 양의 자유 전자가 나노 입자의 표면에 국한되어 있다. 그러나 여기된 파장의 변화에 ​​따라 그림 2c의 3000nm에서 대부분의 자유 전자가 단층 그래핀 표면에 모이고 633nm에서 나노입자의 표면 전하 분포가 3000nm에서보다 더 강한 국재화 효과를 나타냅니다. 결과는 100nm Ag 나노입자 이량체/금 필름 하이브리드 시스템에서 각각 633 및 3000nm에서 단층 그래핀의 표면 전하 분포를 설명하는 그림 2b, d에서 추가로 확인됩니다. 3000nm에서 시스템의 자유 전자는 주로 나노 입자의 바닥에 모여 단층 그래핀과 비교적 강한 결합을 형성하여 대부분 입자-필름의 간격에 국한된 시스템의 전계 향상을 유도합니다. 그러면, 계의 표면 전하 분포의 눈금 막대와 단층 그래핀의 표면 전하 분포의 눈금 막대는 동일한 여기 파장 조건에서 균일합니다. 그림 2b, d의 비교에서 633nm에서 단층 그래핀 표면에 전하가 모이는 시스템을 설명하는 비율이 3000nm에서 비율보다 작음을 발견하지 못했습니다. 그림 2b, d의 삽입은 각각 633 및 3000nm에서 수평 및 수직 갭의 전계 강도를 나타냅니다. 633nm에서 수직 간극의 전계 강화가 수평 간극보다 강해 빛 에너지가 수평 간극에 집중됨을 나타냅니다. 대체로, 가시 범위에서 입자-입자의 쌍극자 혼성화는 자유 전자가 나노입자에 모이게 하고, 이는 Ag 나노입자 이량체/그래핀 혼성 시스템에서 입자-입자 간극의 강한 전기장 향상으로 이어진다. 적외선 영역에서는 그래핀과 은 나노입자의 금속 특성이 공진 피크와 거리가 멀기 때문에 그래핀 표면의 자유전자가 나노입자 표면에 상전하를 유도한다. 따라서 그래핀 표면의 자유 전자와 나노입자 표면의 이미지 전하의 결합은 입자-필름 간극의 전계 향상을 생성합니다. 결과는 또한 빛 에너지가 적외선 영역에서 그래핀 표면에 국한될 수 있음을 보여줍니다.

나노 입자 / 그래 핀 하이브리드 시스템의 표면 전하 재분배. R의 표면 전하 분포 =1nm 갭이 있는 단층 그래핀의 50nm Ag 나노입자 이량체 a 633nm 및 c에서 3000nm에서 R 그래핀 표면의 표면 전하 분포 =1nm 갭이 있는 단층 그래핀의 50nm Ag 나노입자 이량체 b 633nm 및 d에서 3000nm에서 633 및 3000nm에서 추론된 전하 쌍극자 상호작용 표현은 그림 2의 오른쪽에 나와 있습니다.

그림 3에서 SEM(주사전자현미경) 이미지의 눈금 막대는 Ag 나노입자 단량체와 이량체의 직경이 약 100nm에서 비슷한 것을 나타냅니다. 그림 3a의 SERS 스펙트럼은 각각 단층 그래핀에 Ag 나노입자 단량체가 있는 영역과 입자가 없는 영역에서 나온 것입니다. 또한 Ag 입자가 없는 그래핀의 라만을 수집하는 목적은 Ag 나노 입자가 전기장 향상을 통해 라만 신호를 향상시킬 수 있음을 강조하는 것입니다. 시스템의 개략도는 그림 3a의 오른쪽에 표시됩니다. 더 강한 라만 강도는 Ag 나노입자 단량체가 라만 향상을 생성할 수 있음을 보여줍니다. 결과를 추가로 확인하기 위해 Ag 나노 입자 이량체를 포함하는 단층 그래핀의 라만 스펙트럼도 그림 3b에서 측정되었습니다. 시스템의 개략도는 그림 3b의 오른쪽에 유사하게 표시됩니다. 명백한 라만 향상 효과는 그림 3b에서도 관찰되었으며 이는 그림 3a와 일치합니다. 이러한 결과는 또한 단층 그래핀의 라만 신호가 Ag 나노 입자에 의해 향상될 수 있음을 보여줍니다. 그러나 Fig. 1b의 dimer의 시뮬레이션 향상 인자가 Fig. 3b에서 실험적으로 결정된 것보다 크다는 불일치가 있다. 한편, 그림 1b에서는 전기장 향상이 입자-입자 간극에 국한되어 있지만, 실험에서는 나노입자가 그래핀 표면에 증착된다. 따라서 불일치는 주로 전기장 영역과 접촉면의 차이에서 비롯됩니다. 결과는 입자-필름의 간격이 전기장 향상을 생성하지 않음을 확인하고 빛 에너지가 633nm에서 입자-입자의 간격에 국한되어 있음을 추가로 보여줍니다. 한편, 실제 실험에서는 달성하기 어려운 나노구조의 이상적인 기하학적 파라미터를 시뮬레이션에 사용하였다. 또한 모양, 표면 거칠기 및 입자-입자 간극도 향상 요인에 영향을 주어 부정합을 유발할 수 있습니다. 은 나노입자-그래핀의 라만 분광법을 측정했을 때 단층 그래핀의 D 밴드가 크게 유도되었다는 점은 주목할 만하다. 현상에 대한 적절한 이론적 설명은 Ag 나노 입자의 자유 전자가 더 강한 에너지를 유도하여 단층 그래핀의 D 밴드를 효과적으로 유발할 수 있다는 것입니다.

나노입자/그래핀 하이브리드 시스템의 SERS. 아 Ag 나노입자 단량체로부터 그래핀에 흡착된 단층 그래핀의 SERS 및 입자가 없는 샘플의 계획. ㄴ Ag 나노입자 이량체로부터 그래핀에 흡착된 단층 그래핀의 SERS 및 입자 없이 샘플의 구성

앞서 언급한 결과는 그래핀 표면의 자유 전자가 적외선 영역에서 나노 입자 표면의 이미지 전하를 유도한다는 것을 보여주며 그 결과는 그림 4에서 추가로 확인되었습니다. 그림 4a, b는 3000nm에서 시스템의 전기장 분포를 설명합니다. 다른 유전율 나노입자 이량체 및 단층 그래핀 필름. 도 4a, b에 도시된 바와 같이, 나노입자 이량체의 유전율이 감소함에 따라 시스템의 전계 강화도 매우 약해질 것이다. 도 4c에서는 나노입자가 없는 단층 그래핀의 전계 강화도 시뮬레이션했는데, 이는 도 4a, b보다 약하다. 그런 다음 그림 4d는 SiO₂로 구성된 시스템의 전계 분포를 보여줍니다. SiO₂의 나노입자 이량체 영화. 이량체와 필름은 모두 부도체이며 전기장 향상을 거의 생성하지 않습니다. 시스템에서 입자-입자 및 입자-막의 간격은 모두 1nm로 설정되었습니다. 도 4b, d와 비교하여, 도 4b의 더 강한 전계 강화는 3000nm에서 단층 그래핀을 필름으로 사용하는 경우에만 광 에너지가 단층 그래핀 필름에 국한됨을 나타낸다. 앞서 언급한 결과는 그래핀 플라즈몬이 적외선 영역에서 유도될 수 있음을 보여주며, 이는 나노입자 이량체에서 이미지 전하와 효과적인 결합을 생성할 수 있습니다. 그러나 도 4c에서 시스템은 나노입자 이량체(dimer)가 존재하지 않아 단층 그래핀 플라즈몬이 이미지 전하를 유도할 수 없도록 한다. 이 현상은 또한 이 나노입자/그래핀 하이브리드 시스템에서 적외선 영역의 단층 그래핀 필름에 빛 에너지가 제한될 수 있음을 확인합니다. 또한, 그림 4a, b에서 반도체로서의 Si 나노입자 이량체는 SiO₂보다 더 많은 이미지 전하를 생성합니다. 따라서 Si 나노 입자 / 그래 핀 하이브리드 시스템의 전계 향상은 더 강하고 입자 - 필름의 갭에서 더 나은 국재화 효과를 나타냅니다. 이러한 결과는 단층 그래핀의 응용에 심오한 의미를 갖는다.

다른 유전체 나노입자/그래핀 하이브리드 시스템의 전기장 분포. 아 –ㄷ 3000nm에서 1nm 갭이 있는 단층 그래핀 필름의 다양한 유전율 나노입자 이량체의 전기장 분포. 아 시(n =4.21 + 0.017i), b SiO₂ (n =1.5), c 공기(n =1). d SiO₂의 전기장 분포 SiO₂의 나노입자 이량체 3000nm에서 1nm 간격의 필름