The localized surface-plasmon resonance has drawn great attention, due to its unique optical properties. In this work a general theoretical description of the dipole mode is proposed, using the forced damped harmonic oscillator model of free charges in an ellipsoid. The restoring force and driving force are derived in the quasistatic approximation under general conditions. In this model, metal is regarded as composed of free charges and bound charges. The bound charges form the dielectric background which has a dielectric function. Those free charges undergo a collective motion in the dielectric background under the driving force. The response of free charges will not be included in the dielectric function like the Drude model. The extinction and scattering cross sections as well as the damping coefficient from our model are verified to be consistent with those based on the Drude model. We introduce size effects and modify the restoring and driving forces by adding the dynamic depolarization factor and the radiation damping term to the depolarization factor. This model provides an intuitive physical picture as well as a simple theoretical description of the dipole mode of the localized surface-plasmon resonance based on free-charge collective motion.
Seokhwan Kim;Jong Wook Roh;Dong Choon Hyun;Seonhwa Park;Yuho Min
한국전기전자재료학회논문지
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제37권5호
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pp.547-553
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2024
Precise control over the morphology of nanostructures is critical for tailoring their physical and chemical properties. This study addresses the challenge of developing a simple, integrated method for synthesizing both 1D and 2D colloidal Cu nanostructures in a single system, achieving successful tuning of their localized surface plasmon resonance (LSPR) properties. A facile hydrothermal synthesis utilizing potassium iodide (KI) and hexadecylamine (HDA) is presented for controlling Cu nanostructure morphologies. The key to achieving 1D nanowires (NWs) and 2D nanoplates (NPs) depends on the controlled adsorption of HDA molecules and iodide (I-) ions on specific crystal facets. Depending on the morphologies, the resultant Cu nanostructures exhibit tunable LSPR peaks from 558 nm [nanoplates (NPs)] to 590 nm [nanowires (NWs)]. These results pave the way for the scalable and cost-effective production of plasmonic Cu nanostructures with tunable optical properties, holding promise for applications in sensing, catalysis, and photonic devices.
본 논문에서는 국소화된 플라스몬 필드 내에 분자를 동시국소화 시키는 방법으로 플라스몬 센서의 감도를 향상시키기 위한 이론적 연구를 수행하였다. 플라스몬 필드의 국소화는 나노격자를 통하여 이루어 졌으며, 측정하고자 하는 분자 반응은 유전체 박막의 기울임 증착을 통하여 국소화되는 것으로 가정하였다. 근접장 기반의 필드와 분자 분포 간의 중복적분 값을 통하여 중복도가 플라스몬 센서의 감도와 밀접한 관련이 있는 것을 확인하였으며, 계산된 플라스몬 센서 특성에 근거하여 동시국소화된 플라스몬 센서의 경우, 동시국소화되지 않은 경우에 비하여, 10배 정도의 감도개선 효과가 있는 것을 확인하였다.
For higher sensitivity in ultraviolet (UV) and even vacuum ultraviolet (VUV) detection of silicon-based sensors, a sandwich-structured film sensor based on Ag Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) was designed and fabricated. This film sensor was composed of a Ag nanoparticles (NPs) layer, SiO2 buffer and fluorescence layer by physical vapour deposition and thermal annealing. By tuning the annealing temperature and adding the SiO2 layer, the resonance absorption wavelength of Ag NPs matched with the emission wavelength of the fluorescence layer. Due to the strong plasmon resonance coupling and electromagnetic field formed on the surface of Ag NPs, the radiative recombination rate of the luminescent materials and the number of fluorescent molecules in the excited state increased. Therefore, the fluorescent emission intensity of the sandwich-structured film sensor was 1.10-1.58 times at 120-200 nm and 2.17-2.93 times at 240-360 nm that of the single-layer film sensor. A feasible method is provided for improving the detection performance of UV and VUV detectors.
Over the last several decades, innovative light-harvesting devices have evolved to achieve high efficiency in solar energy transfer. Research on the mechanisms for plasmon resonance is very desirable to overcome the conventional efficiency limits of photovoltaics. The influence of localized surface plasmon resonance on hot electron flow at a metal-semiconductor interface was observed with a Schottky diode composed of a thin silver layer on $TiO_2$. The photocurrent is generated by absorption of photons when electrons have enough energy to travel over the Schottky barrier and into the titanium oxide conduction band. The correlation between the hot electrons and the surface plasmon is confirmed by matching the range of peaks between the incident photons to current conversion efficiency (IPCE, flux of collected electrons per flux of incident photons) and UV-Vis spectra. The photocurrent measured on Ag/$TiO_2$ exhibited surface plasmon peaks; whereas, in contrast to the Au/$TiO_2$, a continuous Au thin film doesn't exhibit surface plasmon peaks. We modified the thickness and morphology of a continuous Ag layer by electron beam evaporation deposition and heating under gas conditions and found that the morphological change and thickness of the Ag film are key factors in controlling the peak position of light absorption.
We explored localized plasmonic field enhancements using nanowire patterns to improve the sensitivity of a surface plasmon resonance (SPR) sensor. Two different materials, gold and silver, were considered for sample materials. Gold and silver nanowire patterns were fabricated by electron beam lithography for experimental measurements. The wavelength SPR sensor was also designed for these experiments. The material-dependent field enhancements on nanowire patterns were first calculated based on Maxwell's equations. Resonance wavelength shifts were indicated as changes in the refractive index from 1.33 to 1.36. The SPR sensor with silver nanowire patterns showed a much larger resonance wavelength shift than the sensor with gold nanowire patterns, in good agreement with simulation results. These results suggest that silver nanowire patterns are more efficient than gold nanowire patterns, and could be used for sensitivity enhancements in situations where biocompatibility is not a consideration.
This study is aimed to the numerical modeling of the surface plasmon-polariton excitation by a layer of active (electrically pumped) quantum dots embedded in a semiconductor, covered with a metal. It is shown that this excitation becomes much more efficient if the metal has a form of a thin (with thickness of several nanometers) film. The cause of this enhancement in comparison with a thick covering metal film is the partial surface plasmon-polariton localized at the metal-semiconductor interface penetration into air. In result the real part of the metal+air half-space effective dielectric function becomes closer (in absolute value) to the real part of the semiconductor dielectric function than in the case of a thick covering metal film. This leads to approaching the point of the surface plasmon-polariton resonance (where absolute values of these parts coincide) and, therefore, the enhancement of the surface plasmon-polariton excitation. The calculations were made for a particular example of InAs quantum dot layer embedded in GaAs matrix covered with an Au film. Its results indicate that for the 10 nm Au film the rate of this excitation becomes by 2.5 times, and for the 5 nm Au film - by 6-7 times larger than in the case of a thick (40 nm or more) Au film.
Plasmonic-based biosensing technologies have been successfully commercialized and applied for monitoring various biomolecular interactions occurring at a sensor surface. In particular, the recent advances in nanofabrication methods and nanoparticle syntheses provide a new route to overcome the limitations of a conventional surface plasmon resonance biosensor, such as detection limit, sensitivity, selectivity, and throughput. In this paper, optical and physical properties of plasmonic nanostructures and their contributions to a realization of enhanced optical detection platforms are reviewed. Following vast surveys of the exploitation of metallic nanostructures supporting localized field enhancement, we will propose an outlook for future directions associated with a development of new types of plasmonic sensing substrates
LSPR(Localized Surface Plasmon Resonance) sensor measures the refractive index change on the sensor surface. The detection of biological reaction with the unknown refractive index needs to be converted into the signal sensitivity for the refractive index change for comparison with other measurements. To find the signal sensitivity, the three steps of signal processing are proposed, which are signal modeling, signal calibration and signal normalization of LSPR sensor. The detected signal of biotin-streptavidin interaction has been converted into unit of [RU](Resonance Unit) using the proposed method. The converted signal directly can be compared with the other sensors including commercialized one.
AThe effect of localized surface plasmon on silicon substrates was studied using silver nanoparticles. The nanoparticles were formed by self-arrangement through the surface energy using rapid thermal annealing (RTA) technique after the thin nanolayer of silver was deposited by thermal evaporation. By the theoretical calculation based on Mie scattering and dielectric function of air, indium tin oxide (ITO), and silver, the strong peak of scattering cross section of silver nanoparticles was found at 358 nm for air, and 460 nm for ITO, respectively. Accordingly, the strong suppression of reflectance under the condition of induced light of $30^{\circ}$ occurred at the specific wavelength which is almost in accordance with peak of scattering cross section. When the external quantum efficiency was measured using silicon solar cells with silver nanoparticles, there was small enhancement peak near the 460 nm wavelength in which the light was resonated between silver nanoparticles and ITO.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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