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금 박막 위 결합된 카이랄 입자 사슬의 전자기 에너지 집속 강화

요약

금속 나노입자-박막 시스템이 입자와 박막 사이 갭에 빛을 집속하는 능력 입증, 표면 증강 라만 산란 및 플라즈몬 촉매 유용. 급속히 발전하는 플라즈모닉 카이랄리티도 이런 시스템에서 구현 가능. 여기서는 금 박막 위 결합된 카이랄 입자 사슬에서 전자기 에너지 집속 효과와 카이랄 근접장 강화 조사. 입자-박막 갭에서 큰 전기장 강화, 카이랄 근접장 나타남. 좌우 원편광(LCP, RCP) 흥분 시 시스템 공명 피크 강화 특성 명백히 다름. 이 차이는 플라즈몬 혼성화로 원편광과 카이랄 입자-박막 시스템 상호작용 분석. 강화된 광학 활성은 이 카이랄 입자 사슬-박막 시스템의 카이랄 분자 센서 강화 유망 응용 제공.

배경

금속 나노구조 자유 전자 결집 진동과 입사광 결합 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)은 나노구조 주위 강한 전자기 근접장 연관. LSPR 주요 이슈 중 나노미터 스케일 갭 가진 플라즈모닉 나노구조 조사, 하나 이상 "핫스팟" 고전자기장 강화 발생. 핫스팟으로 다양한 금속 나노구조 표면 증강 라만 분광법(SERS)[1-6], 태양광 수확·광촉매[7-9], 전자 에너지 손실 분광법[10,11], 화학·생물 센싱[12,13], 표면 증강 광방출[14-18], 비선형 광학[19,20], 광검출[21,22] 등 유망 응용. 나노미터 갭 플라즈모닉 나노구조(디머[23-29], 트리머[30-32], 올리고머[33]) 전기장 강화 연구, 흥분 파장, 올리고머 크기, 나노입자(NP) 배열, 입자간 갭 거리 변경으로 나노구조 광학 특성 조절 유연한 방법 제공. 주목: NP-금속 박막 복합 시스템에서 NP-박막 상호작용으로 전자기 에너지 재분배, 일반 올리고머보다 강한 전기장 강화. 결합 입자-박막 구조 분자 분광법[34-40] 잠재적 응용.

최근 플라즈모닉 광학 활성, 즉 물질 자체가 카이랄 아니어도 카이랄 플라즈모닉 구조가 좌원편광(LCP), 우원편광(RCP)에 다르게 반응 현상 주목. 한 효과 원편광 이색성(CD, θ=(I_R^1/2-I_L^1/2)/(I_R^1/2+I_L^1/2)≈ΔA(ln10/4)) LCP, RCP 소멸 차이 기술. 아미노산, 핵산, 단백질 등 생체분자 CD 효과 나타냄, CD 분석 신약 개발, 생물의학, 생명과학 필수. 카이랄 분자-전자기 복사 상호작용 기인 CD 반응 극히 약해 결과 광학 신호 강화 주요 과제. 다양한 플라즈모닉 나노구조 탐구: 나선형 배열 금속 NP[41,42], 카이랄 메타물질[43]. 이들 구조서 비카이랄 금속 NP 구성 카이랄 나노구조는 비카이랄 NP 간 플라즈모닉 상호작용 거대 광학 활성 나타냄[44-48]. NP 근접장 핫스팟 "초카이랄" 즉 초카이랄 필드[49-51], 카이랄 분자 활용, 카이랄 광학 소자 설계 위해 예외적 강한 카이랄 근접장 강화 유도[52,53]. 그러나 초카이랄 필드 연구 대부분 올리고머나 올리고머-박막 시스템 입자-입자 사이 강화 초점, 입자-박막 사이 카이랄 근접장 강화 드물게 고려. 앞서 소개한 대로 사실 올리고머 금속 박막 시스템 입자-박막 갭 영역에서도 강한 근접장 강화 발생[34-40]. 결과적으로 복합 입자-박막 시스템서 입자 사이뿐 아니라 입자-박막 갭에서도 강한 초카이랄 필드 존재, 기판 위 카이랄 분자 시료 측정 용이. 강한 CD 반응 미량 분자 검출[49], 카이랄 판별[54], 편광 민감 광학 소자[55] 등 분야 잠재적 응용 이점.

본 연구 LCP, RCP 광 흥분 하 금 박막 위 카이랄 나노입자 사슬 복합 시스템 광학 특성 조사. 입자 사이, 입자-박막 갭 영역 전자기 에너지 다른 분포, 강화 필드 초카이랄 근접장 및 강한 원편광 이색성(CD) 반응 유도. 시스템 거대 카이랄 광학 반응 카이랄 분자 미량 검출 유망 응용.

방법

금 박막 위 카이랄 나노입자 사슬(카이랄 입자 사슬-박막 시스템) 4원 복합 시스템 광학 특성 COMSOL Multiphysics 유한요소법(FEM) 기반 수치적 조사. 카이랄 입자 사슬 입사광 방향 따라 볼 때 시계방향 작은 것에서 큰 것으로 배열된 다른 직경 4개 Ag 나노구 구성. 입자 사슬 반경 20, 30, 40, 50nm(왼손잡이(LH) 구조) 그림 1a,b. 크기 선택 이유 공명 피크 일반 실험 범위 내 위치. 4개 나노구 x-y 평면 동일 원 위 배열(그림 1b 파란 점선 원, 반경 R=75nm). 카이랄 입자 사슬 100nm 두께 Au 박막 위 1nm 입자-박막 갭 배치. 입자 사슬 인접 두 입자 사이 갭 2nm. 갭 크기 1nm 본문 분석 선택, 분자 단층 입자 흡착 일반적 두께. 목적: 카이랄 분자 입자 흡착 센싱 실험 참고 이론 결과 제공. 다른 갭 크기 결과 추가 파일 1 참조. 카이랄 입자 사슬-박막 시스템 LCP, RCP 각각 흥분, 입자 사슬 쪽에서 Au 박막 법선 방향 입사. x, y 방향 주기적 경계 조건 3D 전파 시뮬레이션 수행. 은, 금 상대 유전율 Johnson, Christy[56] 실험 데이터 추출. 입자 사슬 주변 매질 1.0 설정. 비균일 메쉬 객체 포맷. 최대 메쉬 λ/6 미만. 입자 사슬 x-y 평면 배치. 입사광 1V/m 설정, z축 전파. 반사 스펙트럼(R) 반사 전력 흐름/입사 전력 흐름 비율 획득. 시료 불투명 흡수 1-R 계산.

금 박막 위 결합된 카이랄 입자 사슬의 전자기 에너지 집속 강화

카이랄 입자 사슬-박막 시스템 흥분 모델 및 광학 특성. a 사시도: 카이랄 입자 사슬 20nm(최소), 30, 40, 50nm(최대) 반경 밀접 간격 Ag 나노구 구성, 100nm 두께 금 박막 위 1nm 갭 배치. 좌수 원편광(LCP) 또는 우수 원편광(RCP) 원편광 빛 입자 사슬 쪽에서 Au 박막 법선 조명. Ag 나노구 주변 매질 공기. b 평면도: 카이랄 입자 사슬 각 입자 중심 x-y 평면 동일 원 반경 R 위(파란 점선). 각 입자 반경 아라비아 숫자 표시, 단위 나노미터. 인접 두 입자 최소 간격 2nm. c 카이랄 입자 사슬-박막 시스템 광학 특성. 파란, 빨간 실선 각각 RCP, LCP 빛 흡수 스펙트럼(LCP, RCP 표시). 하단 패널: 해당 원편광 이색성(CD) 스펙트럼 검은 실선. 왼쪽에서 오른쪽 수직 점선 590, 635, 710, 785nm 피크 대응

결과 및 논의

흡수 스펙트럼 및 CD 스펙트럼 분석

LCP, RCP 빛 시스템 흡수 스펙트럼 그림 1c 파란, 빨간 실선 곡선 플롯. 4개 주요 플라즈몬 공명 피크 ~590, 635, 710, 785nm 관측. 두 흡수 스펙트럼 비교 시 530-860nm 범위 피크 위치, 공명 피크 강도 명백한 차이, 특히 두 짧은 공명 파장 두드러짐. 그림 1c 하단 패널 시스템 CD 스펙트럼(CD≈ΔA=(1-R_R)-(1-R_L)=R_L-R_R, R_L, R_R 각각 LCP, RCP 흥분 구조 반사율) 표시. 공명 피크 근처 강한 CD 반응 관측. 입자 카이랄 배열로 4개 입자 반응 다름. 다른 반응 입자 간 상호작용 LCP, RCP 총 반응 차이 유도, 카이랄성 기인. 반응 특정 순간 전기 벡터, 구조 모드 매칭/미스매칭으로 설명. 본-쿤 모델과 매우 유사, 회전 전기장 벡터 LCP, RCP 주기 중 다른 순간 다른 모드 매칭, LCP, RCP 전기 벡터 반대 방향 회전[57,58], 선행 연구들 제안[42]. 그러나 입자 사슬 시스템 조건서 박막 영상 전하 입자 사슬과 상호작용 등가 이중 사슬 형성. 결과 특정 흥분 파장 LH 입자 사슬 박막 위 형성 쌍극자 방향 따라 또는 반대 회전 입사 LCP, RCP 전기 벡터 강한 CD 반응.

입자 간 다른 갭 흡수 스펙트럼, CD 스펙트럼 비교 추가 파일 1: Figure S1 트렌드 표시. 갭 작아질수록 CD 강해짐, 강한 상호작용 때문 당연.

원편광 집속 분석

이전 연구 나노입자-금속 박막 시스템 "핫스팟" 고전자기장 강화 입자 사이뿐 아니라 나노입자-금속 박막 사이 발생, 경우에 따라 입자-박막 사이 더 강함[35,36]. 전자기 에너지 카이랄 입자 사슬-박막 LCP/RCP 흥분 빛 다른 상호작용으로 재분배. 시스템 근접장 에너지 집속 효과 LCP, RCP 차이 조사, 그림 2 표시. 그림 2a,b 카이랄 입자 사슬-Ag 박막 사이 갭 중간 x-y 평면 전기장 분포 LCP(a), RCP(b) 빛 공명 피크. 편의상 다른 직경 입자-박막 갭 F1, F2, F3, F4 라벨(그림 2c 오른쪽 열, 그림 2a 표시). 그림 2a,b 각 그래프 대응 공명 피크 전기장 분포, 각 전기장 강화 위치 각각 F1, F2, F3, F4 대응. 동일 흥분 파장 LCP, RCP 전기장 강화 위치, 강도 명백한 차이. 590, 635, 710, 785nm 공명 파장 LCP 최강 전기장 F1, F4, F2, F4 발생. LCP 해당 최대 전기장 강화 270, 346, 333, 385. RCP 최강 전기장 위 파장 F3, F2, F3, F3-F4 발생; 해당 최대 강화 187, 319, 463, 386. 추가 다른 갭 전기장 강화 동일 공명 피크, 동일 공명 피크 다른 갭에서도 LCP, RCP 공명 피크 위치, 강화 강도 유의미 차이. 그림 2c 카이랄 입자 사슬-박막 시스템 다른 입자-박막 갭 전기장 강도 흥분 파장 400-1000nm 변화. 파란 실선 LCP, 빨간 실선 RCP 전기장 강화. 대략 최대 강화 짧은 파장 공명 피크 작은 입자, 긴 파장 공명 피크 큰 입자 갭 발생, 기대 일치하나 절대적 경향 아님. 추가 동일 갭 다른 공명 피크, 동일 공명 피크 다른 갭 근접장 강화 LCP, RCP 공명 피크 위치, 강화 강도 유의미 차이. F1, F2 갭 최대 강화 차이 LCP, RCP 극성 차이 ~635nm 공명 파장 발생, RCP/LCP 강화 비율 F1, F2 각각 3.5, 5.5. F3 ~635, 710nm 큰 강화 차이, LCP/RCP 강화 비율 각각 3, 0.5. 0.5배 강화 여기 ~635nm RCP 빛 LCP 빛보다 강한 강화 의미. F4 ~635nm 최대 강화 차이, LCP/RCP 비율 1.4. 이 현상 CD 반응 흥분 좋음, 기판 위 다른 위치 분자 센서 전망 제공.

금 박막 위 결합된 카이랄 입자 사슬의 전자기 에너지 집속 강화

Ag 카이랄 입자 사슬-박막 시스템 전자기 에너지 집속 효과. a, b 카이랄 입자-박막 갭 중간 x-y 평면 전기 근접장 분포 시스템 LCP(a), RCP(b) 빛 흥분 시 다른 공명 피크. 각 그림 대응 표시 공명 피크. c 오른쪽 그림(및 a 표시) 지시 F1, F2, F3, F4 갭 전기장 강화 공명 피크 큰 차이. 파란, 빨간 실선 LCP, RCP 빛 전기장 강화. 왼쪽에서 오른쪽 수직 점선 590, 635, 710, 785nm 피크 대응

카이랄 입자 사슬-박막 시스템 전기장 강화 메커니즘 심층 이해 위해 혼성화 관점 각 공명 피크 모드 조사. 시스템 반사율 스펙트럼 4개 공명 피크 1, 2, 3, 4 표시, 그림 3(파란 LCP, 빨간 RCP 곡선). LCP, RCP 흥분 시스템 표면 전하 분포 왼쪽, 오른쪽 표시, 중간 혼성화 레벨. 색상 화살표 다른 반경 입자 편광 상태 지시, 20, 30, 40, 50nm 검은, 빨간, 파란, 노란 색 플롯. 박막 시안 선 화살표 아래 표시; 시안 선 혼성화 레벨도 표시. 유도된 반대 영상 쌍극자 박막 회색 색 표시.

금 박막 위 결합된 카이랄 입자 사슬의 전자기 에너지 집속 강화

카이랄 입자-박막 시스템 혼성화 개략도. 왼쪽 파란, 빨간 실선 각각 LCP, RCP 흥분 시스템 반사율 스펙트럼. 카이랄 입자 사슬, 금 박막 LCP, RCP 빛 표면 전하 분포 왼쪽, 오른쪽. 색상 화살표 20, 30, 40, 50nm 검은, 빨간, 파란, 노란 다른 반경 입자 편광 상태. 위쪽 아래쪽 수평 점선 590, 635, 710, 785nm 피크 에너지 레벨

첫 번째 레벨 ~785nm 전형적 혼성 큰 쌍극자 모드, 박막 유도 반대 영상 쌍극자. RCP 흥분 50nm 입자(노란 쌍극자) 약한 모멘트 LCP 흥분 대비 수 나노미터 청색 편이(아주 자세히 봐야 분해). 입자-박막 혼성화 이론[34]에 따르면 유도 영상 전하 결합 시스템 항상 결합 모드, 에너지 낮춤. 결합 약하면 에너지 높음(청색 편이). 결합 큰 쌍극자, 영상 쌍극자에서 LCP 흥분 최강 전기장 50nm 입자(노란 쌍극자) 아래; RCP 흥분 최강 점 F3, F4 40nm(파란), 50nm(노란) 입자 아래(50nm 더 강). 두 번째 레벨 ~710nm 입자 표면 전하 분포에서 LCP 흥분 작은 두 입자 동일 방향(두 입자 반결합 모드)[59] 표면 수직; 큰 두 입자 작은 두 입자 반대 방향 동일 방향. RCP 흥분 검은 쌍극자 수평, 레벨 에너지 낮춤. 쌍극자 방향에서 LCP 흥분 빨간, 파란 쌍극자 반대, 서로 강화 F2, F3 강해야 함. Ref.[36] 이 경우 작은 입자 더 많은 에너지 구속, F2 최강 갭. RCP 흥분 수평 검은 화살표 빨간 쌍극자 부분적 반결합으로 F2 부분 상쇄, F3 최강. 세 번째 레벨 ~635nm. 두 번째 레벨 대비 파란 쌍극자 뒤집힘, 검은, 빨간, 파란 쌍극자 강한 필드 노란 쌍극자 기울어진 각도 유도. 뒤집힌 파란 쌍극자 LCP 흥분 세 쌍극자 혼성화로 레벨 에너지 높임. RCP 흥분 검은, 파란 쌍극자 수평 에너지 낮춤. 쌍극자 방향에서 LCP 파란, 노란 화살표 서로 강화 갭 F4 최강, RCP 검은, 파란 화살표 빨간 것 강화 F2 최강 직접 찾음. 네 번째 레벨 ~590nm 거의 동일 방향 네 쌍극자 에너지 최고. LCP 흥분 첫 세 쌍극자 거의 동일 방향, 노란 것 큰 각도 기울어 에너지 낮춤. RCP 흥분 기울어진 쌍극자 검은 것. 쌍극자 모멘트 약해 총 에너지 LCP 실행보다 높음. 쌍극자 구성에서 LCP 최강 갭 가장 작은 입자 아래 F1, 작은 입자 이런 구성 아래 가장 강한 집속 능력 큰 입자 작은 것 주위 필드 더 강화. RCP 최강 갭 F1, F2 아님, 검은 쌍극자 너무 작아 빨간 쌍극자 갭 거의 아래. 반대 필드 빨간 쌍극자 갭 너무 많이 들어가 필드 상쇄. 파란, 노란 것 최강 갭 파란 입자 작은 F3. 총 혼성화 분석 그림 2 결과와 잘 맞음.

사실 카이랄 입자 사슬-박막 시스템 입자 사이 전기장 강화도 매우 강함. 입자 사이 갭 P1, P2, P3 강화 스펙트럼(그림 4 인셋) 그림 4 표시. 인접 입자 직경 증가시 최대 필드 피크 장파장 이동, ~620nm 갭 P1, ~710nm 갭 P2, ~785nm 갭 P3 각각. 최대 전기장 강화 120, 217, 226. 경향 RCP 흥분 유사. 흥미롭게 강화 피크 위치 LCP, RCP 흥분 정확히 동일 않음. 그럼에도 그림 2c 전기장 강화 스펙트럼 비교 입자-박막 사이 강화 효과 입자 사이보다 강함.

금 박막 위 결합된 카이랄 입자 사슬의 전자기 에너지 집속 강화

카이랄 입자 사슬 다른 은 입자 사이 갭 P1, P2, P3(인셋 표시) 전기장 강화. 파란, 빨간 실선 각각 LCP, RCP 빛 전기장 강화 스펙트럼. 왼쪽에서 오른쪽 수직 점선 590, 635, 710, 785nm 피크 대응

카이랄 집속 초카이랄 필드

입자 아래 박막 있으면 입자-박막 갭 집속 효과 명백. 집속 효과 LCP, RCP 흥분 하 변화. 플라즈몬 강화 카이랄리티 큰 이슈 중 구조 초카이랄 근접장 산출 기대, 카이랄 분자 센싱/검출 응용. 시스템 주변 강화 카이랄 근접장 반응 조사 위해 초카이랄 근접장 강화 계산. 광학 카이랄리티 강화 인자 Ĉ=C/C_CP[46] 정의, C=-ε₀/2ω Im[E*·B] 탕, 코헨[50] 도입 광학 카이랄리티, 카이랄 비대칭도 정량적 특성화. ε₀ 자유 공간 유전율, ω 입사광 각주파수, E, B 국소 전기, 자기장. C_CP=±ε₀ωE₀²/(2c) LCP(+), RCP(-) 전기장 진폭 E₀ 광학 카이랄리티. 강한 근접장 결합으로 입자-박막 갭 거대 필드 강화(그림 2) 해당 갭 명백히 강화된 국소 카이랄 필드 생성. 635nm 공명 피크 국소 카이랄 필드 분포 그림 5. LCP 갭 F4, F3 강한 카이랄리티 강화 발견. RCP 강화 갭 F2, F1 발생. 위 결과 그림 2 대응. 다른 공명 피크 국소 카이랄 필드 분포 추가 파일 1: Figure S2(a)-(c). 그림 6a,b 시스템 LCP, RCP 빛 흥분 4개 공명 피크 각각 입자-박막 갭 중간 x-y 평면 광학 카이랄 필드 강화 분포 표시. 강화 위치 시계방향 갭 F1, F2, F3, F4 영역 대응. 동일 공명 모드 동일 CPL 흥분 갭 카이랄 강화 강도 다름. 동일 CPL 흥분 갭 초카이랄 필드 다양. 카이랄 강화 인자 유익 위치, 공명 파장 90배 도달. 카이랄 광학 강화 동일 갭 다른 위치 LCP, RCP 선택적. 추가 카이랄 강화 영역 각 갭 작은 영역 제한, 급속 변화. 카이랄 강화 응용서 CD 신호 프로브 부피 적분 국소 카이랄 필드 결정. 평균 광학 카이랄리티 조사 필요. 여기 20, 30, 40, 50nm 입자 아래 반경 4, 6, 8, 10nm 작은 실린더 취함, 높이 박막, 입자 자름. 각 실린더 해당 입자-박막 교차. 실린더, 매 입자-박막 차이 영역 부피 V. 반경 입자 아래 전기장 최댓값 1/e 감소 시 선택. 평균 광학 카이랄리티 강화 인자 실린더 입자-박막 미분 부분 C/|C_CP| 적분 부피 평균으로 획득:

$$ \left\langle \widehat{C}\right\rangle =\frac{1}{V}\underset{V}{\int }C/\left|{C}_{CP}\right| dV $$ (1)

금 박막 위 결합된 카이랄 입자 사슬의 전자기 에너지 집속 강화

635nm 공명 피크 LCP, RCP 흥분 입자 사이, 입자-박막 갭 카이랄 근접장 강화 분포. 카이랄 입자 사슬-박막 시스템 4개 은 나노구 직경 각각 20, 30, 40, 50nm 표시. 다른 직경 입자-박막 갭 각각 F1, F2, F3, F4, 입자 사이 갭 P1, P2, P3 라벨

금 박막 위 결합된 카이랄 입자 사슬의 전자기 에너지 집속 강화

금 박막 위 카이랄 은 입자 사슬 광학 카이랄리티 강화 인자. a LCP 빛 4개 공명 피크 각각 입자-박막 갭 중간 x-y 평면 카이랄 근접장 강화 분포. b RCP 빛. c 갭 F1, F2, F3, F4 부피 평균 광학 카이랄리티 강화 인자. 파란, 빨간 실선 각각 LCP, RCP 빛. 왼쪽에서 오른쪽 수직 점선 590, 635, 710, 785nm 피크 대응

해당 부피 평균 카이랄 강화 스펙트럼 갭 F1, F2, F3, F4 그림 6c 플롯. 스펙트럼에서 입자 아래 반대 카이랄 필드 상쇄 효과에도 불구 평균 카이랄 필드 강화 여전히 매우 강함 확인. F1 최강 피크 50배 도달. 금속 박막 위 카이랄 필드 강화 드물게 보고. 본 연구 금속 박막 평균 카이랄 필드 강화 ref.51 동일 오더. 다른 갭 LCP, RCP 흥분 카이랄 필드 완전히 반대, 예: 갭 F1, F3. 이 특성으로 카이랄 분자 센싱 활용. 예: 반대 카이랄성 두 카이랄 분자 갭 F1 위치 시 L 것 LCP 590nm 흥분, R 것 RCP 635nm 흥분. 600nm 단일 흥분 시 LCP, RCP 빛 갭 F3 L, R 분자 완전 구별.

입자-박막 갭 강한 카이랄 근접장 강화 추가 입자 사이 갭 큰 카이랄 반응 존재(그림 5, 추가 파일 1: Figure S2(a)-(c) 공명 피크 입자 사이 갭 P1, P2, P3 카이랄 근접장 강화 분포). 입자 사이 카이랄 필드 보기 위해 갭 P1, P2, P3 영역 식(1) 평균 광학 카이랄리티 강화 스펙트럼 계산, 그림 7 표시. 공식 여기 부피 입자-박막 갭 유사 방법 획득. LCP 넓은 파장 영역 갭 P1, P2, P3 카이랄 필드 항상 음수 명확 관측; RCP 빛 갭 카이랄리티 반대. 두 원편광 중요한 차이 카이랄 분자 강화 응용 중요.

금 박막 위 결합된 카이랄 입자 사슬의 전자기 에너지 집속 강화

갭 P1, P2, P3 부피 평균 광학 카이랄리티 강화 인자. 파란, 빨간 실선 각각 LCP, RCP 빛 흥분 대응. 왼쪽에서 오른쪽 수직 점선 590, 635, 710, 785nm 피크 대응

선형 배열 입자, 더 큰 배열 원 반경, 다른 입자 수 비교

금 박막 위 선형 입자 사슬 시스템 전기장 에너지 집속 효과 비교 연구. 선형 입자 사슬 또한 20, 30, 40, 50nm 다른 직경 4개 Ag 입자 구성, 그림 8. 카이랄 구조 대비 선형 입자 사슬 더 강한 반사 응답(그림 8a), 입자-박막 갭 집속 효과 더 뚜렷, 특히 선형 시스템 선편광(LP) 빛 탐침(그림 8b). 그림 9 입자-박막 갭 사이 부피 평균 카이랄 강화 스펙트럼 플롯. 실선 선형 입자 사슬-박막 시스템 강화 스펙트럼, 파란, 분홍 실선 각각 LCP, 선편광(LP) 빛 대응. 점선 위 논의 카이랄 입자 사슬-박막 시스템 강화, 파란, 빨간 점선 각각 LCP, RCP 빛 흥분 대응. 원형 갭 F1 카이랄 필드 강화 피크 640nm 근처 48 값 도달 등 일부 갭 공명 피크 더 강한 카이랄 필드 강화 확인. 그러나 카이랄 구조 대비 원편광 빛 광학 카이랄리티 선형 구조 일반적으로 약함, 선편광 빛 선형 구조 CD 반응 나타내지 않음, 카이랄 구조 카이랄 분자 센서 선형 구조보다 유리함 명확.

금 박막 위 결합된 카이랄 입자 사슬의 전자기 에너지 집속 강화

다른 편광 빛 선형 배열 입자 비교. a 다른 은 입자-박막 시스템 반사율 스펙트럼. 파란, 분홍 실선 각각 좌수 원편광(LCP(L)), 선편광(LP(L)) 흥분 선형 은 입자 사슬-박막 시스템 반사율 스펙트럼. 인셋 선형 입자 사슬-박막 구조. 다이어그램 아라비아 숫자 20, 30, 40, 50 대응 입자 반경. b 카이랄 입자 사슬-박막, 선형 입자 사슬-박막 시스템 입자-박막 갭 전기장 강화 스펙트럼. 갭 F1, F2, F3, F4 각각 인셋 표시. 파란, 분홍 실선 각각 LCP(L), LP(L) 흥분 선형 사슬 구조 박막 강화. 파란, 빨간 점선 각각 LCP, RCP 빛 탐침 카이랄 입자 사슬-박막 시스템 전기장 강화. 왼쪽에서 오른쪽 수직 점선 590, 635, 710, 785nm 피크 대응

금 박막 위 결합된 카이랄 입자 사슬의 전자기 에너지 집속 강화

그림 8 인셋 표시 F1, F2, F3, F4 부피 평균 광학 카이랄리티 강화 인자. 파란, 분홍 실선 각각 LCP(L), LP(L) 흥분 선형 구조 부피 평균 카이랄 근접장 강화 스펙트럼. 파란, 빨간 점선 각각 LCP, RCP 빛 카이랄 은 입자 사슬-박막 부피 평균 카이랄 근접장 강화 스펙트럼. 왼쪽에서 오른쪽 수직 점선 590, 635, 710, 785nm 피크 대응

이 구조 카이랄리티 배열 효과 광학 카이랄리티 조사 위해 x-y 평면 배열 원 반경 R 변경(그림 1b 파란 점선 원) 카이랄 NP 사슬-박막 시스템 다른 R 광학 특성 시뮬레이션. 흡수 스펙트럼, CD 스펙트럼에서 R 증가 공명 피크 거의 동일(추가 파일 1: Figure S3); 하지만 R 증가 CD 약해짐. 구조 카이랄리티 낮아짐(대칭성 높아짐) R 증가로 LCP, RCP 카이랄 반응 덜 민감. 동시에 NP-박막 사이 부피 평균 카이랄 강화 감소 경향(추가 파일 1: Figure S4). 그러나 입자 사이 부피 평균 카이랄 강화 R 영향 적음(추가 파일 1: Figure S5).

추가 카이랄 강화 입자 수 관계 조사(추가 파일 1: Figure S6). 위 논의 4입자 시스템(50-40-30-20 라벨) 유사, 20nm 입자 제거 3입자 카이랄 사슬(50-40-30 라벨) 생성. 두 시스템 CD 스펙트럼 명백히 다름. 50-40-30 시스템 3개 CD 반응 피크. 입자 수 감소 갭 F2 부피 평균 카이랄 강화 갭 F3, F4보다 더 영향. 그러나 입자 사이 부피 평균 카이랄 강화 작은 변화.

위 결과 어떤 식으로 다이머 직접 강화 외 카이랄 분자 광학 활성 신호 강화 길 제시. 그러나 이런 시스템 제작 좀 까다로움. 대략적 방법: 다른 크기 입자 졸 방울 Au 박막 기판 위 직접 떨어뜨림. 충분한 입자 존재, 다른 크기 곡선 모양 찾기 어렵지 않음. 더 제어 가능, 정교 원하면 화학 합성 가능. 나노입자 결정 구조로 완벽한 구 아님. 균일 크기 입자 특수 작용기 함수 분자 용액(특수 작용기 DNA 등) 먼저 넣음, 화학 분자 특정 면만 흡착. 다른 크기 입자 유사 단계 수행[11]. 입자 혼합 사슬 형성. 용액 기판 위 떨어뜨림, 용매 장력 사슬 곡률. 기타 가능 방법: 밀곡 슬롯 기판 당김법[60], 자성 코어 입자 자기 조립[61], 모세관 효과[62], 광학 힘[63].

결론

결론적으로 금 박막 위 4개 다른 직경 나노입자 구성 카이랄 사슬 전자기 에너지 집속 효과, 카이랄 근접장 강화 시연. 카이랄 사슬 LCP, RCP 빛 흥분 시 공명 피크 명백한 차이 전기장 강화 갭 관측. 혼성화 분석 메커니즘 복원. 전기장 강화 차이 입자 사이, 입자-박막 근처 강한 카이랄 근접장 강화 유도, 강한 카이랄 반응 유도, 카이랄 분자 검출 카이랄 근접장 강화 응용 전망 제공.

약어

CD:
원편광 이색성
FEM:
유한요소법
LCP:
좌원편광
LH:
왼손잡이
LP:
선편광
LSPR:
국소 표면 플라즈몬 공명
NPs:
나노입자
RCP:
우원편광
SERS:
표면 증강 라만 분광법

나노물질

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