잘못 정렬된 가장자리 간 이합체는 자가 조립 방법을 사용하여 Ag 나노프리즘 이량체를 준비하는 동안 일반적인 제품입니다. 그러나 자기조립법에서 Ag 나노프리즘은 산성 환경에서 쉽게 산화되기 때문에 쉽게 잘린다. 이 작업에서 잘못 정렬된 가장자리 간 이합체에서 잘린 Ag 나노프리즘을 모델링하면 이량체의 국부적 표면 플라즈몬 공명(LSPR)에 대한 잘림 및 정렬 불량의 영향을 더 잘 이해할 수 있습니다. 이합체의 오정렬 길이를 변경하여 이량체의 공진 파장과 강도를 유연하게 변조합니다. 오정렬 길이가 증가함에 따라 더 짧은 파장에서 더 강한 피크가 관찰되고 더 긴 파장에서 더 약한 피크가 관찰됩니다. 두 피크의 공명 파장과 강도는 이합체에서 Ag 나노프리즘의 잘린 길이를 조정하여 유연하게 조정됩니다. 결과는 유한 요소 방법(FEM)을 기반으로 수치적으로 입증되었으며 나노 스위치, 다중 채널 가변 바이오 센서 및 기타 나노 장치 응용 분야에 대한 유망한 잠재력을 보여줍니다.
<섹션 데이터-제목="배경">은 및 금 나노입자는 LSPR(localized surface plasmon resonance) 효과에서 비롯되는 독특한 광학적 특성으로 인해 광범위한 관심을 끌었습니다. 이러한 나노 입자의 전도 전자는 입사광과 함께 집합적으로 진동하여 나노 입자 표면 주위에 국한된 강화된 전기장을 유발합니다[1, 2]. 나노 입자의 LSPR 효과는 나노 입자의 크기, 모양, 재료 및 주변 환경을 변경하여 조절할 수 있습니다[3-5]. 수많은 나노 입자 중에서 나노프리즘(NPs)은 이방성 기하학적 특성과 조정 가능한 LSPR 특성으로 인해 가장 주목을 받았습니다[6-8]. 등방성 기하학적 특성 때문에 표면의 진동 전하는 NP의 팁 주위에 축적되는 경향이 있어 등방성 나노입자보다 NP 주변의 국부적인 전기장이 더 강화됩니다[9]. NP의 LSPR 특성은 일반적으로 면내 쌍극자 공명, 면내 4극성 공명 및 면외 쌍극자 공명으로 구분됩니다. 면내 쌍극자 공명은 NP[10, 11]의 가장자리 길이가 증가함에 따라 적색편이 효과를 나타냅니다.
두 개의 나노 입자가 서로 가까워지면 강화된 전기장이 이합체의 틈에 집중됩니다. 이러한 현상은 나노입자 사이의 LSPR 결합 효과에서 기인하는 핫스팟 효과로 알려져 있다. 현저한 핫스팟 효과를 갖는 이량체는 전자빔 리소그래피[12], 나노구 리소그래피[13] 및 자가 조립 방법[14, 15]에 의해 쉽게 준비될 수 있습니다. 자기조립법의 경우, 특정한 기하구조를 가진 금속 나노입자가 특정한 기를 가진 분자를 통해 연결된다. 따라서 이량체의 간격은 분자 사슬 길이만큼 좁습니다. 이것은 두 나노입자 사이의 간격을 더욱 줄여 더 놀라운 핫스팟 효과를 유발합니다[16-18].
전형적인 이량체로서 NP 이량체의 핫스팟 효과는 광범위하게 연구되었지만 NP 이량체에 대한 대부분의 연구는 팁-투-팁 기하학에 집중되어 있다[19-23]. 그러나 자기조립법을 통한 tip-to-tip 이합체의 준비 과정에서 edge-to-edge 형태를 갖는 NP 이합체가 광범위하게 존재한다[15]. 자가 조립 방법은 종종 NP 이합체에 대해 무작위로 정렬되지 않은 효과를 일으킵니다. 깨진 대칭을 가진 무작위로 정렬되지 않은 가장자리 대 가장자리 Au NP 이합체는 새로운 광학 특성을 유도할 수 있습니다[24]. 이 결과는 이량체의 오정렬 길이를 변조하여 이중 공진을 전환할 수 있음을 나타냅니다. 공진 위치는 Au NP의 간격 길이와 두께를 변경하여 조정할 수 있습니다. 구조적 매개변수에 대한 광학적 특성의 감도로 인해 이 발견은 나노스위치, 나노모터, 나노룰러 및 이중 채널 바이오센서를 개발하는 유망한 방법을 제시합니다. 그러나 금 원자의 관성 때문에 Au NP 이량체의 구조적 매개변수는 일반적으로 일단 준비되면 고정됩니다.
Ag는 쉽게 산화되기 때문에 Ag NP의 팁은 준비 과정에서 쉽게 에칭될 수 있습니다. 이것은 Ag NP가 Ag 잘린 나노프리즘(TNP)으로 변형되는 결과를 낳습니다. 절단 효과에서 비롯된 구조적 대칭의 변화는 몇 가지 새로운 광학 특성을 유도합니다[8, 25]. 절단 효과는 정렬되지 않은 가장자리 간 Ag NP 이합체에 도입되어 새로운 광학 특성을 가진 조정 가능한 장치를 얻을 수 있습니다. 여기에서 FEM을 사용하여 LSPR edge-to-edge Ag TNP 이량체에 대한 절단 및 오정렬의 영향을 연구합니다.
계산에 사용된 구조 모델은 그림 1에 나와 있습니다. 자가 조립 방법에 사용되는 Ag 나노입자는 일반적으로 종자 유도 성장 방법으로 준비됩니다. 가장자리 길이는 반응 조건을 제어하고 두께를 일정하게 유지하여 유연하게 조절됩니다. [26]. 이 논문에서 Ag NP의 두께는 T에서 일정하게 유지됩니다. =8 nm. Ag NP edge-to-edge 이합체는 자가 조립 방법으로 준비된 것으로 가정합니다. 따라서 이 이량체의 갭 길이(G ) 특정 분자 길이 G를 가짐 =2nm.
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특정 오정렬 길이 l를 보여주는 Ag TNP 이량체의 개략도 1
잘못 정렬된 가장자리 간 이합체는 가장자리 길이(L ), 오정렬 길이(l 1 ) 및 잘린 길이(l 2 ). Ag NP의 팁은 초기 모서리 길이 L로 직선을 따라 절단됩니다. =130nm 및 잘린 길이 l 2 =10nm. 오정렬의 영향을 연구하기 위해 오정렬 비율 R =나 1 /엘 Ag TNP 이량체의 0에서 1.5까지 다양합니다. R로 0 또는 1에 접근하면 절단된 길이가 증가된 Ag TNP 이량체가 절단 효과의 영향을 연구하기 위해 모델링되었습니다. Ag TNP는 Ag HNP의 가장자리 길이(L 1 )는 잘린 길이 l와 같습니다. 2 =L /삼. 절단 및 오정렬의 영향을 추가로 조사하기 위해 Ag HNP 이합체는 오정렬 비율 R 1 =나 1 /엘 1 , 0에서 3 사이의 값이 시뮬레이션되었습니다.
COMSOL Multiphysics®를 사용하는 FEM 방법은 LSPR edge-to-edge Ag TNP 이량체에 대한 오정렬 길이의 영향을 조사하는 데 사용됩니다. Ag에 대한 상대 유전율은 Drude 모델, ε에서 얻었습니다. (ω ) =ε ∞ − ω p 2 /[ω (ω + iγ )], 여기서 ε ∞ =3.7은 무한 주파수, ω p =1.38 × 10 16 는 벌크 플라즈마 주파수이고 γ =3.72 × 10 13 전자의 진동 감쇠[27]입니다.
Ag TNP 이량체는 x-y z에서의 비행기 =0 공기 포함(n =1) 그것을 둘러싼다. 이량체 주위에 공기를 사용하여 계산 프로세스를 단순화했습니다. y 방향으로 편광된 입사광 -축, z를 따라 정상적으로 지정되었습니다. -Ag TNP 표면의 축. 파장 조정은 λ 사이에서 수행되었습니다. =600nm ~ λ =1100nm, 4nm 단계
파장과 R 사이의 변화를 보여주는 Ag TNP 이량체의 소멸 단면(ECS) 강도 분포 맵 LSPR에 대한 오정렬 길이의 영향을 조사하기 위해 먼저 계산되었습니다. 그림 2는 Ag TNP 이량체의 ECS 강도 분포 색상 맵을 보여줍니다. 그림 2와 같이 R이 있는 Ag TNP 이량체 =0은 강도가 동일한 두 개의 피크를 표시합니다. R일 때 1과 같으면 피크 1로 표시된 더 짧은 파장의 피크가 강하고 청색 편이 효과를 나타냅니다. 피크 2로 표시된 더 긴 파장의 경우 강도가 감소하고 청색 편이 효과를 나타냅니다. R로 0에서 1로 증가하면 피크 1의 공진 파장이 초기에 감소한 다음 약간 안정화됩니다. 한편 강도는 점차 증가합니다. 피크 1이 R일 때 갑자기 감소한다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 0에서 1/8로 변경됩니다. 고차 LSPR 모드가 사라지기 때문입니다. 피크 2의 공진 파장은 먼저 증가했다가 감소하지만 강도는 전체적으로 감소합니다.
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Ag TNP 이량체의 ECS 스펙트럼. 아 R의 함수로서의 ECS 강도 분포 맵 그리고 파장. ㄴ ECS 공명 파장(어두운 산란선 ) 및 강도(빨간색 짧은 점선 ) 스펙트럼 대 R . 사각형 및 삼각형 선 각각 피크 1 및 피크 2 표시
그림 2a의 피크 1은 R로 더욱 강화됩니다. 1에서 1.5로 증가하고 공진 파장은 변경되지 않고 유지됩니다. 또한 피크 2는 공진 파장이 전체적으로 감소하는 동안 사라질 때까지 지속적으로 감소합니다. R로 1.5에 도달하면 이중 피크는 Ag TNP 단량체의 공명 파장과 동일한 공명 파장을 갖는 단일 피크로 변질됩니다. R일 때 1보다 크면 Ag TNP 간의 LSPR 결합 상호 작용이 매우 약합니다. 그림 2b에서 피크 2는 R일 때 ECS 스펙트럼에서 지배적인 역할을 합니다. <0.5(파란색 영역)인 반면 피크 1은 R일 때 우세합니다.> 0.5(노란색 영역). 따라서 이량체의 오정렬 길이를 조절하여 두 피크를 켜거나 끌 수 있습니다.
R의 다른 값에 대한 Ag TNP 이량체의 전기장 분포 그림 3에 나와 있습니다. Ag TNP 이량체의 기하학적 구성은 R로 변경됩니다. 0에서 1.5까지 다양합니다. R일 때 0과 같으면 Ag TNP 이합체는 가장자리에서 가장자리까지 기하학을 소유합니다. R로 1에 도달하면 구성이 tip-to-tip 기하학으로 변경되고 R 더 증가하면 구성이 비정상적인 팁 대 팁 형상으로 바뀝니다. 그림 3a에서 강화된 전기장은 갭의 중앙과 양 끝에 국한되어 있으므로 R =0, 피크 1은 고차 LSPR 모드입니다. R일 때 0보다 크면 고차 LSPR 모드가 사라지고 이량체의 구조적 대칭이 깨집니다. 그런 다음 피크 1은 그림 3b-d에 표시된 이량체에서 Ag 잘린 나노프리즘 사이의 LSPR 결합 상호 작용의 비대칭 모드에 기인할 수 있습니다. 전기장은 주로 Ag TNP 이량체의 갭에서 떨어진 측면 팁 주위에 분포합니다. R일 때 충분히 크면 이량체에서 Ag TNP의 전기장 분포는 그림 3h에 표시된 것처럼 Ag TNP 단량체의 전기장 분포와 유사합니다. 그림 3e–g는 피크 2가 이량체에서 Ag 잘린 나노프리즘 사이의 LSPR 커플링 상호작용의 대칭 모드에 기인할 수 있음을 보여줍니다. 강화된 전기장은 주로 갭에 국한됩니다. 결과는 이량체에서 Ag TNP 간의 LSPR 커플링 상호 작용을 조절하여 두 피크를 켜거나 끌 수 있음을 보여줍니다. R일 때 0과 같으면 두 피크에 대한 Ag TNP 이합체는 갭에서 크게 향상된 전기장(900V/m 이상)을 보유합니다. Ag TNP 이량체의 주변 전기장의 강화 효과는 R로 약해집니다. 증가합니다. 이는 R 증가하고 향상된 전기장 분포는 이합체에서 Ag TNP의 갭에서 측면 팁으로 이동합니다.
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Ag TNP 이량체 및 단량체의 계산된 전기장 분포. 이미지는 z에서 Ag TNP 이량체의 단면으로 가져옵니다. =0 x-y 비행기. 패널 a –지 그림 2a에 표시된 A-G 지점에 해당합니다. 피크 1:a R =0; ㄴ R =0.5, B; ㄷ R =1; d R =1.5. 피크 2:e R =0, f R =0.5, g R =1. h 단량체
절단이 스위칭에 미치는 영향을 조사하기 위해 Ag TNP 이량체의 절단된 길이 종속 ECS 공명 파장 및 강도 스펙트럼을 시뮬레이션하고 그림 4에 표시합니다(R =0, 1). 잘린 길이 l일 때 2 43.3nm 및 L =130nm, Ag TNP는 Ag HNP로 바뀝니다. Fig. 4a와 같이 Peak 1은 초기의 강한 상태에서 급격히 감소하다가 약한 상태에서 l로 안정된다. 2 R일 때 증가합니다. =0. 이는 동일한 R에서 피크 1에 해당하는 고차 LSPR 모드 때문입니다. 간격 길이가 감소함에 따라 값이 더 이상 간격에 존재하지 않습니다(예:l 2 증가). 피크 1의 원점은 절단된 길이가 증가함에 따라 고차 LSPR 모드에서 LSPR 커플링 상호작용의 비대칭 모드로 변경됩니다. R일 때 그림 4와 같이 0 또는 1과 같으면 두 피크의 공진 파장이 전체적으로 감소합니다. 그림 4b와 같이 피크 2는 l로 점차 희미해집니다. 2 특정 값으로 증가하면 이중 피크가 단일 피크로 변질됩니다. 유사하게, 이것은 두 Ag TNP 사이의 간격이 증가함에 따라 약화되는 LSPR 결합 상호작용의 대칭 모드 때문입니다(즉, l 2 증가). 이것은 Ag TNP 이량체의 스위칭 효과가 Ag의 산화하기 쉬운 특성에서 비롯된 잘린 길이를 변경하여 유연하게 변조될 수 있음을 의미합니다.
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l이 있는 Ag TNP 이량체의 ECS 스펙트럼 2 0에서 43.3nm로 변경 아 R =0; ㄴ R =1. 어두운 산란 및 빨간색 짧은 점선 공진 파장 및 강도 스펙트럼을 각각 보여줍니다. 사각형 및 삼각형 선 각각 피크 1 및 피크 2 표시
절단된 길이가 임계값으로 증가하면 이량체의 Ag TNP가 Ag HNP로 변환됩니다. Ag HNP L의 가장자리 길이 1 43.3nm입니다. 그림 5는 Ag HNP 이량체 대 R의 ECS 강도 분포 맵을 보여줍니다. 1 그리고 파장. 여기서 입사광의 파장은 500~900nm 범위입니다. Ag HNP edge-to-edge 이합체의 경우 정렬 불량 길이(l 1 ) 또한 ECS 스펙트럼에서 두 피크의 변동을 일으킵니다. 오정렬 비율이 증가함에 따라 R 1 =나 1 /엘 1 , Ag HNP edge-to-edge 이량체의 스위칭 효과는 Ag TNP 이량체보다 더 현저하다. LSPR 커플링 상호작용의 대칭 모드에서 발생하는 피크 2는 ECS 스펙트럼에서 빠르게 페이드되며 두 개의 Ag HNP가 서로 멀어집니다(R 1 > 1) 그림 5와 같이 피크 1은 Ag HNP 간의 LSPR 결합 상호 작용에서 비대칭 모드에서 시작되어 점차 지배적인 역할을 차지합니다. Ag HNP 이량체에 대한 피크 2 대 피크 1의 강도 비율은 Ag TNP 이량체의 강도 비율보다 분명히 더 큽니다. Ag TNP 이량체의 ECS 스펙트럼과 비교하여 Ag HNP 이량체는 오정렬 길이를 변경하여 전환할 수도 있는 단일 피크 구성을 가지고 있습니다. 이것은 잘린 길이가 다른 Ag NP 가장자리 간 이합체가 정렬 불량 관련 스위칭 효과를 갖는다는 추가 증거입니다.
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Ag HNP 이량체의 ECS 스펙트럼. 아 ECS 강도 분포 맵과 R 비교 1 그리고 파장. ㄴ 두 피크의 공명 파장 스펙트럼
요약하면, Ag TNP 오정렬된 edge-to-edge 이합체의 LSPR 효과는 FEM을 사용하여 연구되었습니다. Ag TNP 이량체의 ECS 스펙트럼에는 오정렬 길이를 조절하여 켜거나 끌 수 있는 두 개의 피크가 있습니다. R일 때 0.5 미만이면 더 긴 파장 피크가 ECS 스펙트럼에서 두드러진 역할을 합니다. R로 0.5보다 커지면 더 짧은 파장의 피크가 지배적인 역할을 합니다. 절단 효과로 인해 두 피크의 공진 파장은 절단된 길이를 변경하여 유연하게 변조될 수 있습니다. 절단된 길이가 특정 값으로 증가하면 Ag TNP가 Ag HNP로 변환됩니다. 이중 피크는 단일 피크로 변질되며 Ag HNP 이량체의 피크도 오정렬 길이를 변경하여 전환할 수 있습니다. 계산된 결과는 Ag TNP의 오정렬된 가장자리 간 이합체가 유망한 표면 강화 라만 스펙트럼, 나노 스위치, 다중 채널 조정 가능한 바이오 센서, 기타 나노 장치 등을 위한 길을 닦는다는 것을 나타냅니다.
멸종 단면
유한요소법
간격 길이
육각형 나노플레이트
가장자리 길이
오정렬 길이
잘린 길이
국부적인 표면 플라즈몬 공명
나노프리즘
오정렬 비율
두께
잘린 나노프리즘
나노물질
기계 부품 도면에서 수직 공차는 설계자가 직각 부품 형상의 방향이 변할 수 있는 정도를 지정할 수 있도록 합니다. 직각도 기호는 일반적으로 짝짓기 기능을 조립할 수 있도록 도면에 사용됩니다. GD&T의 수직성은 호출되는 참조 기능에 따라 두 가지 별개의 의미를 의미할 수 있습니다. 법선 형태 또는 표면 직각도는 두 개의 90° 표면 또는 피쳐 사이의 직각도를 제어하는 데 사용되는 공차입니다. 표면 직각도는 공차 영역으로 두 개의 평행한 평면에 의해 제어됩니다. 축 직각도는 참조 평면에 대한 특정 축의 직각도를 제어하는 데
산업 공학 분야의 위대한 발전 중 하나는 리버스 엔지니어링의 개발이었습니다. 프로세스. 이는 물리적 시스템에서 직접 정보를 추출하여 디지털 모델로 변환하는 것으로 구성됩니다. 리버스 엔지니어링은 시스템이나 제품을 모델링하고 시뮬레이션할 때 많은 이점을 제공합니다. 한편으로는 모델에서 직접 정보를 추출할 수 있습니다. 보다 안정적이고 고품질이며 다른 한편으로는 작업 시간을 단축하고 단축합니다. 이를 통해 복잡한 시스템을 보다 안정적이고 짧은 시간에 모델링할 수 있습니다. 리버스 엔지니어링이 가장 성공적으로 적용된 분야 중 하나는
