La redistribution du champ électromagnétique induit une catalyse de surface sélective induite par un plasmon dans un nanofil métallique

Rapports scientifiques volume 5, Numéro d'article : 17223 (2015) Citer cet article

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Pour la nouvelle interprétation du spectre Raman à partir d'une molécule à la surface du métal, les réactions de catalyse de surface pilotée par plasmon (PDSC) sont devenues un sujet intéressant dans le domaine de recherche de la diffusion Raman améliorée en surface (SERS). Dans ce travail, les réactions PDSC sélectives du p, p'-dimercaptoazobenzène (DMAB) produit à partir de para-aminothiophénol (PATP) ou de 4-nitrobenzènethiol (4NBT) ont été démontrées dans les systèmes de film dimère-Au de nanofils Ag. Les différents spectres SERS collectés au niveau de la partie individuelle et de la partie adjacente du même système nanofil-film ont souligné l'importance de la redistribution du champ électromagnétique induite par la charge d'image sur le film dans cette catalyse de surface sélective, ce qui a été confirmé par l'électromagnétique simulé électromagnétique simulé. distributions sur le terrain. Notre résultat a indiqué que cette catalyse de surface sélective induite par la redistribution du champ électromagnétique était largement affectée par la polarisation et la longueur d'onde de la lumière incidente, mais légèrement par la différence de diamètre entre deux nanofils. Notre travail fournit une meilleure compréhension de la réaction PDSC dans la nanostructure métallique et pourrait être un soutien profond pour les recherches sur la catalyse de surface et l'analyse de surface.

En raison des propriétés charmantes de la manipulation de la lumière sous une longueur d'onde inférieure, le plasmon connaît une expansion rapide depuis le début de ce siècle et, en tant qu'interdiscipline émergente, attire un intérêt considérable de la part des chercheurs scientifiques non seulement en physique, mais aussi en chimie, biologie, matériologie, etc.1, 2,3. Cette fantastique capacité de lumière de liaison provient de l'oscillation collective d'électrons libres près de la surface métallique excitée par la lumière, appelée polaritons de plasmon de surface (SPP). La génération de SPP dans les nanostructures métalliques entraîne la distribution non uniforme des champs électromagnétiques près de la surface métallique. Lorsque l'oscillation de résonance des électrons libres se produit, appelée résonance plasmonique de surface localisée (LSPR), cette non-uniforme atteint son maximum et rend le champ électromagnétique dans certaines zones proches de la surface métallique extrêmement amélioré. Ce champ électromagnétique extrêmement amélioré entraîne une amélioration spectaculaire de l'efficacité de divers processus optiques sur les surfaces, tels que la diffusion Raman améliorée de surface (SERS)4,5,6, la catalyse de surface pilotée par plasmonique (PDSC)7,8,9,10, la diffusion à chaud génération d'électrons11,12, effets de deuxième harmonique13,14, piégeage plasmonique15,16, activité optique améliorée plasmonique9,17,18, capteur plasmonique19,20,21, etc.

Parmi ces phénomènes optiques améliorés plasmoniques, les recherches sur le PDSC sont d'une importance théorique et de perspectives d'application importantes. Au cours des vingt dernières années, les trois pics Raman supplémentaires de PATP adsorbés sur une surface métallique à 1143, 1390 et 1432 cm−1 étaient généralement considérés comme le résultat d'une amélioration chimique dans le SERS. Cependant, en 2009, les chercheurs ont théoriquement affirmé que ces trois Raman provenaient de la nouvelle molécule DMAB mais pas du PATP qu'il y avait un progrès de photocatalyse à la surface du métal appelé PDSC22, qui a été bientôt démontré la même année à la surface du film d'Ag et des nanosphères d'Ag8,23 . Au cours des cinq années suivantes, les recherches dans ce domaine ont exploré rapidement que différentes nanostructures métalliques (Au, Ag, Cu) telles que les nanofils24, les nanosphères25, les nanoparticules-film26 ont été étudiées et une autre réaction PDSC du DMAB générée par le 4NBT a également été rapportée7. Explorer la caractéristique des molécules et de la surface métallique dans la réaction PDSC est la mission clé de ce domaine scientifique qui est assez important pour distinguer les signaux SERS des cibles d'origine ou de la nouvelle molécule catalysée.

Étant donné que ce processus de catalyse de surface nécessite des SPP à haute énergie pour rompre la liaison chimique (NH dans le PATP et NO dans le 4NBT), le statut des SPP à proximité de la molécule est assez important pour les réactions PDSC. Comme on le sait, le facteur de structure de la surface métallique domine les propriétés des SPP1,27. Par conséquent, vérifier le processus PDSC dans diverses nanostructures métalliques est l'enjeu crucial dans ce domaine. En raison de leur construction simple et de leur fabrication pratique, les systèmes de film de nanoparticules métalliques sont les substrats SERS largement utilisés dans la détection chimique et biologique20,28. Au cours des deux dernières années, la redistribution du champ électromagnétique causée par le couplage de la charge de surface sur les nanoparticules et de la charge d'image sur le film dans les systèmes a été rapportée que l'énergie lumineuse confinée pourrait être modulée à différentes zones de sous-longueur d'onde en manipulant la longueur d'onde de la lumière incidente29, 30,31. Par conséquent, l'étude de l'influence de la redistribution du champ électromagnétique sur les réactions PDSC est une recherche de pointe intéressante dans des domaines connexes.

Dans des rapports précédents sur la redistribution du champ électromagnétique, le monomère et le dimère de nanoparticules constitués de nanoparticules métalliques de tailles et de formes similaires ont été choisis pour étudier le couplage entre la charge de surface sur la particule et la charge d'image sur le film30,31. Cependant, en raison de la restriction intrinsèque de la technologie de nanofabrication, il est très difficile de trouver deux nanoparticules avec exactement les mêmes tailles, formes et distance d'espace nanoparticule-film. Comme on le sait, la variation structurelle infime de la surface métallique, en particulier pour les espaces entre les nanostructures, entraîne la grande différence de couplage des SPP27. Par conséquent, la différence structurelle infime des nanoparticules de tailles et de formes similaires est le problème gênant dans la démonstration stricte de la redistribution du champ électromagnétique.

Étant donné que l'oscillation verticale des SPP dans les nanofils pourrait être considérée comme celle des nanoparticules de taille égale au diamètre du nanofil, la différence structurelle infime de la nanoparticule est surmontée par les deux nanofils adjacents sur le film. Lorsque la polarisation de la lumière incidente est perpendiculaire à la direction des nanofils, la partie individuelle des nanofils (les deux bornes du dimère de nanofil Ag, illustré par la flèche bleue sur la figure 1 (a)) pourrait être traitée comme le monomère nanoparticulaire et la partie adjacente des nanofils (le milieu du dimère de nanofil Ag, illustré par la flèche bleue sur la figure 1 (b)) pourrait être traitée comme le dimère de nanoparticules. En raison du diamètre uniforme du nanofil et du même espace nanofil-film, le nanofil individuel et le dimère de nanofil deviennent le système parfait pour vérifier la redistribution du champ électromagnétique. Dans ce travail, la réaction PDSC du DMAB produit par PATP et 4NBT a été démontrée dans les systèmes de film Ag nanofils-Au. Dans ce système de film de nanofils métalliques, les spectres SERS des espaces de film de dimère de nanofil présentaient la caractéristique Raman évidente du DMAB, tandis que ceux des espaces de film de nanofil individuels présentaient le comportement de PATP ou de 4NBT.

Spectre SERS de 4NBT adsorbé sur un film Au et distribution du champ électrique à différentes positions de nanofils Ag de diamètres similaires excités par un laser à 633 nm.

(a) Le point individuel gauche des nanofils (comme indiqué par la flèche bleue), (b) le point adjacent des nanofils, (c) le point individuel droit des nanofils, (d) la distribution du champ E dans l'individu supérieur point et le point adjacent. Les encarts sont l'image SEM correspondante du système de film Ag wire-Au.

Ces résultats expérimentaux ont non seulement démontré strictement la prédication théorique intéressante de la redistribution du champ électromagnétique, mais ont également indiqué sa grande influence sur les réactions PDSC. Les résultats théoriques et expérimentaux ont également mis en évidence l'importance de la polarisation incidente et du diamètre des nanofils dans les réactions PDSC. Notre étude a élargi la compréhension des réactions PDSC et a eu une grande importance dans le domaine du SERS et de l'analyse de surface.

Une monocouche de 4NBT a été adsorbée sur un film d'Au de 100 nm d'épaisseur évaporé sur le substrat de Si. Ensuite, les nanofils d'Ag ont été placés au hasard sur le film d'Au avec une monocouche de molécules entre eux grâce à la méthode de revêtement par centrifugation. À l'aide d'un spectromètre mirco-Raman, les spectres SERS excités par laser à 633 nm de 4NBT adsorbé sur un film d'Au ont été collectés à différentes positions de deux nanofils d'Ag adjacents parallèles avec des diamètres similaires, comme indiqué sur la Fig. 1. Les images SEM en médaillon de nanofils d'Ag ont compris les diamètres étaient tous deux d'environ 920 nm tandis que les longueurs étaient de 7,5 μm (à gauche) et de 4,9 μm (à droite) avec une partie adjacente de 3,5 μm. Comme la flèche bleue illustrée dans l'image SEM, des signaux SERS avec une polarisation différente de la lumière incidente ont d'abord été collectés au niveau de la partie individuelle du nanofil gauche, qui ont été illustrés à la Fig. 1 (a). Les spectres excités parallèles (θ = 0o, ligne noire) et excités perpendiculairement (θ = 90o, ligne rouge) présentaient la caractéristique Raman évidente de 4NBT (pics Raman à 1084 cm−1, 1175 cm−1, 1336 cm−1 , 1589 cm−1), bien qu'une plus grande intensité Raman soit apparue dans la perpendiculaire excitée. Où le θ est l'angle entre la direction de polarisation de la lumière incidente et l'axe des nanofils d'argent. Cependant, les résultats ont beaucoup changé lorsque la position des SERS collectés s'est déplacée vers la partie adjacente des nanofils, comme illustré sur la figure 1 (b). Premièrement, la différence d'intensité entre deux polarisations était beaucoup plus grande qu'elle était presque 8 fois plus grande pour l'intensité Raman de l'excitation perpendiculaire par rapport à l'excitation parallèle à un pic Raman de 1084 cm−1. Deuxièmement, davantage de pics Raman sont apparus dans la situation excitée perpendiculaire alors qu'il n'y avait que trois pics Raman à 1084 cm-1, 1175 cm-1, 1336 cm-1, 1589 cm-1 présentés dans un spectre excité parallèle. De plus, les pics Raman supplémentaires à 1143 cm-1, 1390 cm-1, 1432 cm-1 dans le spectre excité perpendiculaire ont confirmé la génération de DMAB produit par 4NBT via des réactions PDSC. Intéressant, les résultats sont revenus lorsque la position collectée s'est déplacée vers la partie individuelle du nanofil droit, comme le montre la figure 1 (c). Bien qu'il n'y ait que des pics Raman de 4NBT tels que 1084 cm−1, 1175 cm−1, 1336 m−1, 1589 cm−1 exposés dans les spectres excités perpendiculaires et parallèles, le perpendiculaire avait encore une intensité Raman un peu plus forte. Pour comprendre la variation des spectres SERS dans le système de nanofils, la distribution des champs proches a également été étudiée par la méthode COMSOL ici. Sur la figure 1 (d), les deux images de gauche illustraient la distribution électromagnétique améliorée de la partie individuelle et de la partie adjacente du nanofil dans une situation excitée perpendiculaire, dans laquelle les flèches jaune et rouge représentaient respectivement les directions de polarisation et de propagation de la lumière incidente. Il était évident que l'intensité du champ électrique dans l'espace nanofil-film de la partie adjacente était beaucoup plus forte que celle de la partie individuelle. Étant donné que l'intensité SERS est proportionnelle à (E / E0) ^ 4, ce résultat de simulation a présenté une bonne explication de l'intensité Raman beaucoup plus élevée obtenue à la partie adjacente de la figure 1 (b). Dans les deux images de gauche de la figure 1 (d), la monocouche de la molécule 4NBT (ou PATP) n'est adsorbée que sur le film Au. Le grand champ électrique amélioré trouvé dans l'espace nanofil-nanofil n'a eu aucune contribution à l'intensité du SERS. Dans l'intervalle, les deux images de droite de la figure 1 (d) indiquaient le champ électrique amélioré du système de nanofils dans une situation d'excitation parallèle. De toute évidence, l'intensité du champ électrique était ici beaucoup plus faible par rapport à celle excitée perpendiculairement qu'elle était trop faible pour distinguer la redistribution du champ électrique entre la partie individuelle et la partie adjacente. Les résultats de cette simulation étaient cohérents avec les résultats de notre expérience SERS selon lesquels toutes les intensités Raman dans les spectres excités parallèles collectés à différentes positions de ce système de nanofils-film étaient plus faibles.

Pour comprendre l'influence de la longueur d'onde sur le PDSC dans ce système de nanofils-film, les spectres SERS de 4NBT adsorbé sur un film Au éclairé par un laser de 532 nm ou 633 nm ont été étudiés à différentes positions dans le même système. Considérant que le couplage plasmon entre les nanofils et également entre le nanofil et le film dans une situation excitée parallèle était trop faible pour étudier la redistribution du champ électromagnétique, seuls les résultats excités perpendiculairement ont été discutés dans les sections suivantes. L'image SEM en médaillon de la Fig. 2 indiquait que les deux nanofils d'Ag avaient des longueurs de 6, 9 μm et 12, 2 μm avec une partie adjacente de 2, 3 μm. Bien que les intensités des spectres SERS excités par laser à 532 nm sur la figure 2 (a) soient faibles, il était toujours évident de distinguer la caractéristique Raman de 4NBT telle que le pic à 1084 cm-1, 1175 cm-1, 1336 cm-1, 1589 cm−1 dans les deux spectres de la partie individuelle (ligne arrière) et de la partie adjacente (ligne rouge), dont les positions collectées étaient indiquées respectivement par des flèches noires et rouges dans l'image SEM. Pendant ce temps, les spectres SERS excités par un laser à 633 nm dans le même système de nanofils-film sur la figure 2 (b) ont présenté ici des résultats très différents. Premièrement, les intensités Raman étaient beaucoup plus grandes (~ 10 fois) que celles excitées par un laser à 532 nm à un pic Raman de 1084 cm-1. Deuxièmement, plus les pics Raman tels que 1143 cm-1, 1390 cm-1, 1432 cm-1 dans le spectre de la partie adjacente (ligne rouge) ont compris la génération de DMAB tandis que le spectre de la partie individuelle (ligne noire) ne présentait que la fonction Raman de 4NBT. Pour comprendre ce phénomène, la distribution de champ proche correspondante à 532 nm ou 633 nm dans ce système nanofil-film a été étudiée et les résultats de la simulation ont été illustrés sur la figure 2 (c), où l'écart nanofil-film au niveau de la partie individuelle, le nanofil -l'espace de film au niveau de la partie adjacente (gauche et droite) et l'espace nanofil-nanofil ont été définis comme l'espace A, l'espace B, l'espace D et l'espace C. Il était évident que les intensités de champ électrique dans les espaces B et D étaient bien supérieures à celles de l'écart A, qui était cohérent avec nos spectres SERS, quelle que soit la longueur d'onde du laser incident, était de 532 nm ou 633 nm. De plus, l'intensité du champ électrique plus faible à 532 nm dans le même système a contribué à l'intensité SERS plus forte à 633 nm, qui a également été en partie attribuée à la transition électronique 3d du matériau Au à 532 nm. La dépendance détaillée de la longueur d'onde de la distribution améliorée du champ électrique a été illustrée sur la figure 2 (d) où les lignes pointillées vertes et rouges représentaient les 532 nm et 633 nm. La variation des intensités de champ électrique dans divers espaces indique ici que la zone confinée d'énergie lumineuse par les SPP était fortement influencée par la longueur d'onde. Dans l'ensemble des spectres, les intensités de champ électrique dans l'espace nanofil-film B (ligne noire) et D (ligne bleue) étaient presque les mêmes, toujours supérieures à celles de l'espace A (ligne rose). Cela signifiait que la partie adjacente du système avait une plus grande capacité à confiner la lumière sur le film que la partie individuelle. Cependant, c'était plus complexe dans la partie adjacente car on se concentrait sur l'intensité du champ électrique dans l'espace C (ligne rouge). Lorsque la longueur d'onde était inférieure à ~ 645 nm, l'intensité du champ électrique dans l'espace nanofil-nanofil C était supérieure à celle dans les espaces nanofil-film (soit l'espace B ou D). Cela signifiait que les SPP préféraient confiner la lumière dans des nanofils mais pas sur un film, ce qui a été confirmé par les images de la distribution du champ électrique sur la figure 2 (c). Intéressant, lorsque la longueur d'onde était supérieure à ~ 645 nm, l'augmentation beaucoup plus rapide de la ligne bleue et noire par rapport à la ligne rouge de la figure 2 (d) indiquait que le système de nanofils-film avait une capacité plus puissante à confiner la lumière sur le film à une plus grande longueur d'onde. Ici, la différence d'intensités de champ électrique dans les espaces B et D a contribué à la différence infime de diamètre de deux nanofils qui étaient respectivement de 1012 nm et 1070 nm. Dans notre expérience (532 nm ou 633 nm), la plus forte amélioration du champ se produit dans l'écart entre les nanofils voisins (écart C). Cependant, dans ce travail, la molécule PATP ou 4NBT n'est adsorbée que sur le film Au mais pas sur les nanofils Ag, dont les réactions PDSC étaient dominées par le plasmon de surface dans l'espace entre les nanofils Ag et les films Au (gap B ou D). Par conséquent, bien que le grand champ électrique amélioré généré dans l'espace entre les nanofils voisins, il n'ait aucune contribution à l'intensité du SERS.

Spectres SERS de 4NBT adsorbé sur un film d'Au et distribution du champ électrique à différentes positions de nanofils d'Ag excités perpendiculairement par des lasers à 532 nm et 633 nm.

(a) Lorsqu'il est excité par 532 nm, (b) Lorsqu'il est excité par 633 nm, (c) Distribution du champ E des points indiqués dans les encarts (flèche rouge et noire dans (b)), (d) Amélioration du champ E dans les lacunes A , B, C, D (indiqué en (c)).

Étant donné que le diamètre du nanofil Ag a eu un effet sur l'intensité du champ électrique amélioré dans les espaces nanofil-film comme décrit ci-dessus, ici, les deux nanofils Ag adjacents de diamètres différents ont également été étudiés dans ce système nanofil-film. Comme l'image SEM en médaillon sur la figure 3 (a), deux nanofils Ag avec une partie micro adjacente de 10, 7 μm étaient situés sur la monocouche 4NBT adsorbée sur un film Au, où les diamètres de deux nanofils étaient de 1182 nm et 1000 nm et la longueur de elles étaient respectivement de 14 μm et 13,5 μm. Les deux spectres SERS excités par 633 nm sur la figure 3 (a) ont été collectés au niveau de la partie individuelle (ligne noire) et de la partie adjacente (ligne rouge) comme l'indiquent les flèches. Bien que les diamètres soient différents, le phénomène des spectres SERS était presque le même que la caractéristique Raman beaucoup plus forte du DMAB était exposée dans les spectres SERS de la partie adjacente tandis que celle de la partie individuelle ne présentait que la caractéristique Raman plus faible du 4NBT. La distribution de champ électrique correspondante à 633 nm sur la figure 3 (b) a en outre confirmé les conclusions du SERS selon lesquelles les espaces nanofil-film avaient une plus grande intensité de champ électrique dans la partie adjacente que dans la partie individuelle. De plus, deux autres nanofils d'Ag adjacents avec une grande différence de diamètres ont également été étudiés dans ce travail. L'image SEM en médaillon sur la figure 3 (c) illustrait ces deux nanofils avec une partie adjacente de 15, 4 μm dont la longueur était de 19, 8 μm et 27, 8 μm avec un diamètre de 952 nm et 476 nm. Dans ce système de nanofils-film, les spectres SERS avaient également montré la catalyse sélective de la position selon laquelle la caractéristique Raman du DMAB était présentée à la partie adjacente mais pas à la partie individuelle, ce qui a été confirmé par la distribution du champ électrique sur la Fig. 3 (d ). Étant donné que les deux nanofils Ag adjacents de la Fig. 3 (c, d) étaient situés au niveau de la monocouche PATP adsorbée sur un film Au, cette catalyse sélective dans le système nanofil-film était compatible avec 4NBT ou PATP.

Spectres SERS de 4NBT et PATP adsorbés sur un film d'Au et distribution du champ électrique à différentes positions de nanofils d'Ag de différents diamètres.

(a) spectres SERS de 4NBT, (b) distribution de champ E du film fils Ag-Au (montré dans l'encart de l'image (a)), (c) spectres SERS de PATP, (d) distribution de champ E de l'Ag fils-Au film (montré dans l'encart de l'image (c)).

La dépendance à la polarisation des intensités SERS à la même position présentée sur la figure 1 pourrait être comprise par l'excitation et le couplage des SPP. Lorsque la polarisation de la lumière incidente est parallèle aux nanofils, l'oscillation des SPP se fait le long de l'axe du nanofil et le couplage des SPP entre les nanofils est si faible que la partie adjacente de deux nanofils pourrait être traitée comme deux nanofils individuels. Mais dans les situations excitées perpendiculairement, l'oscillation des SPP est verticale à l'axe des nanofils et un fort couplage plasmon s'est produit entre deux nanofils adjacents qu'il pourrait être traité comme deux nanoparticules adjacentes. Compte tenu de l'uniformité du diamètre dans le nanofil d'Ag synthétisé chimiquement, la partie individuelle et la partie adjacente du nanofil pourraient être considérées comme les deux nanoparticules en monomère ou dimère avec les mêmes formes et tailles dans des situations excitées perpendiculaires. Les spectres SERS excités à 532 nm ou 633 nm collectés au niveau de la partie individuelle ou adjacente de la Fig. 2 (a, b) ont démontré la catalyse sélective dans ce système de nanofils-film, qui consistait en la distribution de champ électrique simulée correspondante de la Fig. 2 ( d). Comme indiqué par la ligne pointillée verte et rouge, les intensités de champ électrique dans l'espace nano-film à la partie adjacente (espace B et D) étaient toujours supérieures à celles de la partie individuelle (espace A), qui étaient presque 8 fois supérieures à 532 nm et 11 fois plus à 633 nm. Ce champ électrique amélioré pourrait être compris par la redistribution du champ électromagnétique. Avec l'aide de la charge d'image induite sur les films Au, les dipôles électriques effectifs étaient situés au niveau des espaces nanofil-film de la partie adjacente mais pas de la partie individuelle, ce qui était similaire à nos travaux précédents sur le système dimère de nanoparticules25,26,30, 31. Considérant que l'intensité du SERS est proportionnelle à (E/E0)^4, cette amélioration du champ pourrait faire ressortir une grande différence d'intensité du SERS dans différentes positions au niveau du système de film Ag nanofil-Au. Cependant, les intensités SERS dans la mesure expérimentale correspondante n'étaient pas tellement plus grandes dans la partie adjacente de la figure 2 (a, b), qui était presque 2 fois plus grande à 633 nm (ou 532 nm). Outre la transition électronique 3d du matériau Au à 532 nm et l'erreur d'expérience (telle que la position précise du nanofil Ag ne pouvait pas être contrôlée exactement au centre de la lumière focalisée avec un diamètre de 2 à 3 μm en raison de la limite de diffraction), cette différence d'expérience et la simulation peut être attribuée au guide d'onde plasmon sur Ag nanwire. Dans notre expérience SERS, le diamètre de la lumière incidente focalisée par un objectif était d'environ 2 à 3 μm tandis que les longueurs de la partie adjacente de la Fig. 2 étaient de 2, 3 μm, ce qui signifie que les bornes du nanofil Ag étaient probablement éclairées par la lumière incidente. Selon des rapports antérieurs sur le guide d'ondes plasmon32,33, la lumière pourrait se coupler pour propager les SPP sur le nanofil Ag au niveau du défaut (tels que les terminaux, les nanoparticules adjacentes) pour générer le guide d'ondes plasmon. Dans la mesure SERS du dimère de nanofils d'Ag sur la figure 2, la lumière pourrait être perdue par le guide d'ondes lorsque l'amélioration la plus faible au niveau de la partie adjacente a été obtenue. Cette raison pourrait également être responsable des intensités SERS pas tellement plus grandes dans la partie adjacente de la figure 1, dans laquelle la longueur de la partie adjacente n'était que de 3, 5 μm. Quoi qu'il en soit, le pic de trois DMAB Raman présenté sur les figures 1 et 2 démontre la plus grande amélioration du champ au niveau de la partie adjacente par rapport à la partie individuelle. Dans nos informations complémentaires, le dimère de nanofil Ag avec une partie adjacente plus longue (environ 5, 6 μm) a été étudié dans un environnement d'expérience similaire. Les signaux Raman collectés présentaient des intensités beaucoup plus grandes qu'elles étaient presque 11 fois plus élevées à un pic Raman de 1336 cm-1 et 14 fois plus élevées à un pic Raman de 1589 cm-1. Le transfert du confinement de l'énergie électromagnétique de l'espace nanofil-nanofil aux espaces nanofil-film manipulés par la longueur d'onde de la figure 2 (d) pourrait être compris par le fait que l'excitation et le couplage des SPP sont fortement influencés par la longueur d'onde de la lumière incidente, qui est compatible avec les rapports dans le système de film de nanoparticules25,26,30,31. Dans ce travail, le diamètre du nanofil s'avère avoir une influence sur la redistribution du champ électromagnétique bien qu'il n'infirme pas la conclusion selon laquelle la partie adjacente a une plus grande capacité à confiner la lumière sur le film. Puisqu'il y a toujours une différence de taille ou de forme entre les nanoparticules, l'influence du diamètre est intéressante à étudier plus avant.

En résumé, les réactions PDSC du DMAB converti à partir du 4NBT et du PATP ont été étudiées dans le système de film nanofil métallique. Grâce au diamètre uniforme du même nanofil, l'influence de la différence de taille dans le dimère de nanoparticules sur la redistribution du champ électromagnétique est exclue dans ce système nanofil-film. Les résultats ont indiqué que la réaction PDSC est effectuée sur une partie adjacente de deux nanofils pour un champ électrique beaucoup plus grand produit par la charge d'image induite sur le film. Cette catalyse de surface sélective induite par la redistribution du champ électromagnétique est largement affectée par la longueur d'onde de la lumière incidente mais légèrement par la différence de diamètre entre deux nanofils. En raison de la structure simple et du fonctionnement pratique des systèmes de nanofils-film, la catalyse de surface induite par la redistribution du champ électromagnétique dans nos travaux est largement appliquée non seulement dans la catalyse chimique sur la surface métallique, mais également dans d'autres champs plasmoniques tels que le capteur d'environnement, la détection de photons, fractionnement de l'eau et etc.

PATP et 4NBT ont tous été achetés à Aladdin Industrial Corporation.

Dans des conditions de vide poussé, un système d'évaporation par faisceau d'électrons (modèle Peva-600E) a été utilisé pour évaporer la couche Au (100 nm d'épaisseur) sur du silicium comme substrat pour la mesure SERS. Par les images de microscopie à force atomique (AFM), la rugosité de surface moyenne du film Au a été évaluée à 2,249 nm

Après plusieurs lavages centrifuges, un nanofil d'Ag dans une solution d'éthanol à faible concentration est déposé sur un film d'Au par la méthode de revêtement par centrifugation. En raison de la tension superficielle lors de l'évaporation rapide de l'éthanol, certains nanofils d'Ag sont rassemblés pour générer un dimère de nanofils d'Ag. Comme ce rassemblement n'est pas assez serré, la distance d'écart entre les nanofils est estimée à 1 nm. Et l'épaisseur de la couche entre les nanofils d'Ag et le film d'Au est également estimée à 1 nm car la monocouche de molécule PATP ou 4NBT est adsorbée sur le film d'Au.

En utilisant un spectromètre Micro-Raman commercial (Horiba) avec un filtre à 5 % adapté au laser de 532 nm ou un filtre à 10 % adapté à 633 nm, leur puissance de sortie totale est respectivement de 57 mW et 17 mW. Ainsi, lorsque le laser est irradié sur un échantillon à travers le filtre, leur l'intensité est de près de 2,8 mW et 1,7 mW.

La redistribution du champ électromagnétique des systèmes nanofils-films métalliques a été simulée à l'aide de la méthode des éléments finis (package commercial COMSOL 4.3b). Le nanofil situé à 1 nm au-dessus des films Au (100 nm d'épaisseur) s'est évaporé sur le substrat Si. Les systèmes de nanofils-films métalliques utilisés dans cet article ont deux nanofils parallèles adjacents l'un à l'autre avec une séparation de dimère bord à bord de 1 nm.

Comment citer cet article : Pan, L. et al. La redistribution du champ électromagnétique induit une catalyse de surface sélective pilotée par des plasmons dans des systèmes de nanofils métalliques. Sci. Rep. 5, 17223; doi : 10.1038/srep17223 (2015).

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Centre de recherche sur la matière molle et interdisciplinaire, Collège de physique, Université de Chongqing, Chongqing, 400044, République populaire de Chine

Liang Pan, Yingzhou Huang et Yanna Yang

Département de physique appliquée, Collège de physique, Université de Chongqing, Chongqing, 400044, République populaire de Chine

Wen Xiong, Guo Chen, Xun Su, Hua Wei et Shuxia Wang

Département de physique, Université des sciences et technologies de Hong Kong, Clear Water Bay, Kowloon, Hong Kong, Chine

Weijia Wen

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WW et YH ont lancé et supervisé le projet. YH et SW ont conçu les expériences de spectres. LP a mesuré expérimentalement les spectres SERS. YY a préparé les fils d'argent, HW a fait la simulation, YH et XS ont analysé les données, WX et GC ont fourni des suggestions pour la rédaction d'articles. YH et PL ont rédigé l'article et YH, WW et SW ont discuté et révisé le manuscrit.

Les auteurs déclarent une absence d'intérêts financiers en compétition.

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Réimpressions et autorisations

Pan, L., Huang, Y., Yang, Y. et al. La redistribution du champ électromagnétique induit une catalyse de surface sélective pilotée par des plasmons dans des systèmes de nanofils métalliques. Sci Rep 5, 17223 (2015). https://doi.org/10.1038/srep17223

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Reçu : 26 juin 2015

Accepté : 27 octobre 2015

Publié: 25 novembre 2015

DOI : https://doi.org/10.1038/srep17223

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