Nanobrokoblede rombiske antenner, der understøtter både dipolære og højordens plasmoniske tilstande

I en ny publikation fra Opto-Electronic Advances, forskningsgrupperne af professor Zhong-Qun Tian fra Xiamen University, Xiamen, Kina og professor Huigao Duan fra Hunan University Changsha, Kina diskuterer nanobroforbundne rombiske antenner, der understøtter både dipolære og højordens plasmoniske tilstande med rumligt overlejrede hotspots i det mellem-infrarøde.

Mid-infrarøde antenner (MIRA'er), ofte konstrueret af metaller (f.eks. Au, Al eller Ag), stærkt dopede III-V-halvledere, elektron-doteret grafen eller fonon-polariton-baserede nanostrukturer, understøtter optisk resonans i den mellem-infrarøde spektral rækkevidde (400 til 4000 cm−1). MIRA'er kan fungere som modtageantenner og derved koncentrere mid-infrarøde stråler fra frit rum til nanoskalaområder (kaldet hotspots) i nærheden af ​​overfladen af ​​MIRA'er. MIRA'er kan også fungere som sendeantenner til retningsbestemt forstærkning af termisk stråling produceret ved lokal opvarmning af kilder koblet til MIRA'er. Disse imponerende egenskaber ved MIRA'er har inspireret en bred vifte af undersøgelser af deres potentielle anvendelser til overfladeforstærket infrarød absorption (SEIRA) spektroskopi, hvilket fører til ultrahøje følsomheder (op til hundredvis af oscillatorer) for biologiske og kemiske sensorer i det mellem-infrarøde område, til beam-shape engineering af kvantekaskadelasere og til meget responsive fotodetektorer med forbedret absorption og fotobæreropsamlingseffektivitet i det mellem-infrarøde. Kerneelementerne for de højtydende applikationer er MIRA mikro- og nanostrukturer, men udviklingen af ​​MIRA strukturer halter langt bagefter udviklingen af ​​optiske antenne nanostrukturer i det synlige spektralområde.

Enkeltarmede dipolære antennestrukturer er blandt de mest klassiske MIRA'er, ofte bestående af guldstænger med afstembare resonansbølgelængder ved at indstille længden af ​​stængerne. Ydermere er der også udviklet dobbeltarmede dipolære antenner med nanometer-store mellemrum (nanogaps), såsom guldstangsdimerer, på grund af styrken af ​​de lokale feltforstærkningsfaktorer i deres nanogaps. Ikke desto mindre understøtter både enkeltarmede og dobbeltarmede dipolære antenner normalt kun den dipolære resonanstilstand, som er en grundlæggende og smalbåndstilstand med en typisk båndbredde omkring 200-500 cm−1. Normalt er højordenstilstande i enkeltarms- eller dobbeltarmede typisk for svage i de optiske spektre. Denne funktion begrænser applikationen, der kræver flere resonanser i MIR-regionen.

For at opnå multiband MIRA'er er der designet adskillige mikro- og nanostrukturer ud over enkeltarms- eller dobbeltarmsantenner, blandt dem guld nano-kryds, nanoaperturestrukturer, fraktale mikrostrukturer, log-periodiske trapezformede strukturer og dipolære antenner med flere længder. Disse strukturer kan kategoriseres i mikro- og nanostrukturer, der understøtter flere dipolære tilstande. Grundlæggende er det en langsigtet udfordring at udvikle enarmede eller dobbeltarmede antenner, der understøtter samtidigt udtalte fundamentale og højordens plasmoniske tilstande såsom en quadrupolar tilstand.

Forskergruppen bestående af professor Zhong-Qun Tian fra Xiamen University og professor Huigao Duan fra Hunan University designede og fremstillede en multiskala nanobridged rhombic antenne (NBRA, Fig. 1a), der understøttede to dominerende resonanser i MIR (Fig. 1b), herunder en charge-transfer plasmon (CTP) bånd og et brokoblet dipolært plasmon (BDP) bånd, der ligner en firdobbelt resonans. Disse opgaver dokumenteres ved hjælp af scattering-type scanning nær-felt optisk mikroskopi (s-SNOM) billeddannelse og elektromagnetiske simuleringer. Sammenligning med andre nanobro-strukturer, såsom nanobro-diske eller rektangler, viser NBRA distinkte multiband-resonanser i det mellem-infrarøde område i de simulerede ekstinktionsspektre. Ydermere er NBRA's hotspots placeret i yderpunkterne af strukturen, mens hotspots af nanobridged-diske eller rektangler ved CTP-resonansen er fordelt dispersivt. Højordensbåndet forekommer kun med en nanometer-størrelse bro (nanobro) forbundet til den ene ende af den rombiske arm, som hovedsageligt fungerer som induktansen og modstanden ved RLC-kredsløbsanalysen. Desuden er de vigtigste hotspots forbundet med de to resonansbånd rumligt overlejret, hvilket muliggør en forstærkning af det lokale felt for begge bånd ved multiskalakobling. Med store feltforbedringer opnås multibånddetektion med høj følsomhed over for et monolag af molekyler ved brug af SEIRA-spektroskopi. Dette arbejde giver en ny strategi til at aktivere højordenstilstande til at designe multibånds MIRA'er med både nanobroer og nanogaps til sådanne MIR-applikationer som multibånd SEIRA'er, IR-detektorer og stråleformning af kvantekaskadelasere i fremtiden. + Udforsk yderligere

Engineering enkeltmolekyle fluorescens med asymmetriske nano-antenner