Optical resonances in dimer of spherical metallic nanoparticles
DOI (Low Temperature Physics):
https://doi.org/10.1063/10.0044471Ключові слова:
optical resonance, dimer, spherical nanoparticle, polarizability tensor, extinction cross-section, effective relaxation rate, spectral figure of merit tensor, optical resonanceАнотація
Досліджено резонансні оптичні явища в димері, що складається зі сферичних металевих наночастинок. Отримано співвідношення для діагональних компонентів тензорів поляризовності та спектральної добротності, перерізу екстинкції, а також частот поперечного та поздовжнього оптичного резонансу. Встановлено якісну подібність частотних залежностей дійсної й уявної частин, а також модуля поперечної та поздовжньої поляризовності, визначено спектральний зсув екстремумів для поперечної компоненти поляризовності відносно поздовжньої. Показано, що зменшення зазору між наночастинками в димері призводить до підсилення розсіювання та послаблення поглинання енергії, пов’язаної з поздовжніми електричними полями, а також до збільшення розщеплення частот поперечних і поздовжніх оптичних резонансів. Встановлено кількісну близькість теоретичних та експериментальних результатів для димерів сферичних наночастинок Au відносно розщеплення оптичних резонансів. Крім зближення наночастинок, до збільшення розщеплення резонансів також призводить підвищення діелектричної проникності оточуючого середовища та використання для створення димеру наночастинок металів із більшою плазмовою частотою та меншим внеском міжзонних переходів у діелектричну проникність. Досліджено розмірні залежності діагональних компонентів тензора спектральної добротності. Продемонстровано, що зі зменшенням відстані між наночастинками «помірного» радіусу в димері поведінки поперечної та поздовжньої спектральної добротності суттєво відрізняються. Встановлено, що поздовжня спектральна добротність димеру малих наночастинок, розташованих на великій відстані одна від одної, має різкий максимум. Причиною виникнення такого максимуму є значна зміна частоти поздовжнього оптичного резонансу за малої зміни проникності навколишнього діелектрика та зменшення розсіювання поздовжніх електричних полів. Показано доцільність використання димеру малих і досить віддалених одна від одної наночастинок як чутливого елемента сенсора на основі поздовжнього оптичного резонансу.
Посилання
1. Y. Huang, L. Ma, M. Hou, J. Li, Z. Xie, and Z. Zhang, “Hybridized plasmon modes and near-field enhancement of metallic nanoparticle-dimer on a mirror,” Sci. Rep. 6, 30011 (2016). https://doi.org/10.1038/srep30011
2. V. Devaraj, I. H. Lee, M. Kim, T. M. Nguyen, J. P. Son, J.-M. Lee, and J.-W. Oh, “Unveiling facet effects in metallic nanoparticles to design an efficient plasmonic nanostructure,” Curr. Appl. Phys. 44, 22 (2022). https://doi.org/10.1016/j.cap.2022.09.006
3. L. O. Abramenko, V. M. Matiushyn, and A. V. Korotun, “Absorption of electromagnetic radiation by an ordered composite based on a cubic lattice of metallic nanodimers,” Funct. Mater. 32, 21 (2025). https://doi.org/10.15407/fm32.01.21
4. M.-N. Su, Q. Sun, K. Ueno, W.-S. Chang, H. Misawa, and S. Link, “Optical characterization of gold nanoblock dimers: From capacitive coupling to charge transfer plasmons and rod modes,” J. Phys. Chem. C 122, 18005 (2018). https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b05755
5. B. D. Dana, A. N. Koya, X. Song, and J. Lin, “Effect of symmetry breaking on plasmonic coupling in nanoring dimers,” Plasmonics 15, 1977 (2020). https://doi.org/10.1007/s11468-020-01178-8
6. J. Fontana, N. Charipar, S. R. Flom, J. Naciri, A. Piqué, and B. R. Ratna, “Rise of the charge transfer plasmon: Programmable concatenation of conductively linked gold nanorod dimers,” ACS Photonics 3, 904 (2016). https://doi.org/10.1021/acsphotonics.6b00184
7. S. I. Pokutnyi, “Strongly absorbing light nanostructures containing metal quantum dots,” J. Nanophoton. 12, 012506 (2018). https://doi.org/10.1117/1.JNP.12.026013
8. K. L. Göeken, V. Subramaniam, and R. Gill, “Enhancing spectral shifts of plasmon-coupled noble metal nanoparticles for sensing applications,” Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 422 (2015). https://doi.org/10.1039/C4CP03739A
9. A. N. Koya, B. Ji, Z. Hao, and J. Lin, “Controlling optical field enhancement of a nanoring dimer for plasmon-based applications,” J. Opt. 18, 055007 (2016). https://doi.org/10.1088/2040-8978/18/5/055007
10. N. Kongsuwan, A. Demetriadou, M. Horton, R. Chikkaraddy, J. J. Baumberg, and O. Hess, “Plasmonic nanocavity modes: From near-field to far-field radiation,” ACS Photonics 7, 463 (2020). https://doi.org/10.1021/acsphotonics.9b01445
11. A. Korotun, G. Moroz, R. Korolkov, and I. Titov, “Optical resonances and enhancement of the electric fields in the Gap between Two spherical metallic nanoparticles,” in 2023 IEEE 13th International Conference on Electronics and Information Technologies (ELIT), Lviv, Ukraine (IEEE, 2023).
12. A. N. Koya, J. Cunha, T. L. Guo, A. Toma, D. Garoli, T. Wang, S. Juodkazis, D. Cojoc, and R. P. Zaccaria, “Novel plasmonic nanocavities for optical trapping-assisted biosensing applications,” Adv. Opt. Mater. 8, 1901481 (2020). https://doi.org/10.1002/adom.201901481
13. A. V. Korotun, D. V. Demianenko, V. I. Reva, and R. A. Kulykovskyi, “Enhancing the activity of a metallic nanoparticle catalyst through localized plasmon resonance excitation on its surface,” Him. Fiz. Tehnol. Poverh. 16, 253 (2025). https://doi.org/10.15407/hftp16.02.253
14. R. Zhang, L. Sun, C. Du, T. Fu, Y. Chen, W. Rong, X. Li, and D. Shi, “Plasmonic properties of individual heterogeneous dimers of Au and In nanospheres,” Phys. Lett. A 391, 127131 (2021). https://doi.org/10.1016/j.physleta.2020.127131
15. A. N. Koya and J. Lin, “Charge transfer plasmons: Recent theoretical and experimental developments,” Appl, Phys. Rev. 4, 021104 (2017). https://doi.org/10.1063/1.4982890
16. B. D. Dana, M. M. Mena, J. Lin, and A. N. Koya, “Charge transfer plasmon resonances of conductively linked asymmetric gold nanoparticle dimers,” Appl. Phys. A 129, 4 (2023). https://doi.org/10.1007/s00339-022-06270-w
17. I. Romero, J. Aizpurua, and G. W. Bryant, and F. J. G. De Abajo, “plasmons in nearly touching metallic nanoparticles: Singular response in the limit of touching dimers,” Opt. Express 14, 9988 (2006). https://doi.org/10.1364/OE.14.009988
18. N. J. Halas, S. Lal, W.-S. Chang, S. Link, and P. Nordlander, “Plasmons in strongly coupled metallic nanostructures,” Chem. Rev. 111, 3913 (2011). https://doi.org/10.1021/cr200061k
19. J. Zuloaga, E. Prodan, and P. Nordlander, “Quantum description of the plasmon resonances of a nanoparticle dimer,” Nano Lett. 9, 887 (2009). https://doi.org/10.1021/nl803811g
20. W. Zhu, R. Esteban, A. G. Borisov, J. J. Baumberg, P. Nordlander, H. J. Lezec, J. Aizpurua, and K. B. Crozier, “Quantum mechanical effects in plasmonic structures with subnanometre gaps,” Nat. Commun. 7, 11495 (2016). https://doi.org/10.1038/ncomms11495
21. F. Chen, N. Alemu, and R. L. Johnston, “Collective plasmon modes in a compositionally asymmetric nanoparticle dimer,” AIP Adv. 1, 032134 (2011). https://doi.org/10.1063/1.3628346
22. B. D. Dana, B. Ji, J. Lin, L. Li, A. N. Koya, and W. Li, “Hybrid plasmonic modes for enhanced refractive index sensing,” Adv. Sens. Res. 2, 2300066 (2023). https://doi.org/10.1002/adsr.202300066
23. C.-Y. Tsai, J.-W. Lin, C.-Y. Wu, P.-T. Lin, T.-W. Lu, and P.-T. Lee, “Plasmonic coupling in gold nanoring dimers: Observation of coupled bonding mode,” Nano Lett. 12, 1648 (2012). https://doi.org/10.1021/nl300012m
24. A. V. Korotun and H. V. Moroz, and R. Yu. Korolkov, “Q-factor of plasmonic resonances and field enhancement in the vicinity of spherical metallic nanoparticles,” Funct. Mater. 31, 119 (2024). https://doi.org/10.15407/fm31.01.119
25. W. Rechberger, A. Hohenau, A. Leitner, J. R. Krenn, B. Lamprecht, and F. R. Aussenegg, “Optical properties of two interacting gold nanoparticles,” Opt. Commun. 220, 137 (2003). https://doi.org/10.1016/S0030-4018(03)01357-9
26. H. Xie, D. Yan, Y. Liu, X. Wang, M. Yu, and W. Ye, “Plasmon-enhanced optical chiral molecule detection using gold nanoparticle dimer sensors,” J. Phys. Chem. C 128, 18305 (2024). https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.4c03561
27. N. Pavlyshche, A. Korotun, I. Titov, and V. Tretiak, “Quality factor of the surface plasmonic resonance in the metallic nanodiscs,” in 2021 IEEE 13th International Conference on Electronics and Information Technologies (ELIT), Lviv, Ukraine (IEEE, 2021).
28. A. V. Korotun, “More on the size effects on the spectral figure of merit and enhancement of the local fields in the neighborhood of biconical and bipyramidal metallic nanoparticles,” Low Temp. Phys. 51, 133 (2025) [Fiz. Nyzk. Temp. 51, 146 (2025)]. https://doi.org/10.1063/10.0034658
29. C. Dahmen, B. Schmidt, and G. von Plessen, “Radiation damping in metal nanoparticle pairs,” Nano Lett. 7, 318 (2007). https://doi.org/10.1021/nl062377u
30. N. I. Pavlyshche, A. V. Korotun, and V. P. Kurbatsky, “Optical absorption of composites with metallic nanosized spheroidal particles,” Him. Fiz. Tehnol. Poverh. 14, 561 (2023). https://doi.org/10.15407/hftp14.04.561
31. A. V. Korotun and N. I. Pavlishche, “Anisotropy of the optical properties of metal nanodisks,” Opt. Spectrosc. 130, 269 (2022). https://doi.org/10.1134/S0030400X22040075
32. A. V. Korotun, “Plasmonic phenomena in biconical and bipyramidal metal nanoparticles,” Ukr. J. Phys. 68, 695 (2023). https://doi.org/10.15407/ujpe68.10.695
33. Y. V. Karandas, “Plasmonic effects in rod-like metal-dielectric nanoparticles,” Condens. Matter Phys. 27, 23701 (2024). https://doi.org/10.5488/cmp.27.23701
34. G.-C. Li, Y.-L. Zhang, J. Jiang, Y. Luo, and D. Y. Lei, “Metal-substrate-mediated plasmon hybridization in a nanoparticle dimer for photoluminescence line-width shrinking and intensity enhancement,” ACS Nano. 11, 3067 (2017). https://doi.org/10.1021/acsnano.7b00048
