Redistribución del campo electromagnético inducida catálisis de superficie impulsada por plasmones selectivos en nanocables metálicos

Scientific Reports volumen 5, Número de artículo: 17223 (2015) Citar este artículo

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Para la interpretación novedosa del espectro Raman de la molécula en la superficie del metal, las reacciones de catálisis de superficie impulsada por plasmones (PDSC) se han convertido en un tema interesante en el campo de investigación de la dispersión Raman mejorada en superficie (SERS). En este trabajo, las reacciones PDSC selectivas de p,p'-dimercaptoazobenceno (DMAB) producidas a partir de para-aminotiofenol (PATP) o 4-nitrobencenotiol (4NBT) se demostraron en los sistemas de película de dímero-Au de nanocables Ag. Los diferentes espectros de SERS recopilados en una parte individual y una parte adyacente del mismo sistema de película de nanocables señalaron la importancia de la redistribución del campo electromagnético inducida por la carga de la imagen en la película en esta catálisis de superficie selectiva, que fue confirmada por el electromagnético simulado electromagnético simulado. distribuciones de campo. Nuestro resultado indicó que esta catálisis de superficie selectiva inducida por la redistribución del campo electromagnético se vio afectada en gran medida por la polarización y la longitud de onda de la luz incidente, pero ligeramente por la diferencia de diámetros entre dos nanocables. Nuestro trabajo proporciona una mayor comprensión de la reacción PDSC en nanoestructuras metálicas y podría ser un gran apoyo para las investigaciones sobre catálisis y análisis de superficies.

Debido a las encantadoras propiedades de manipular la luz bajo una longitud de onda inferior, el plasmón experimenta una rápida expansión desde principios de este siglo y, como interdisciplina emergente, atrae un gran interés de los investigadores científicos no solo en física, sino también en química, biología, materialología, etc. 2,3. Esta fantástica capacidad de delimitar la luz se origina a partir de la oscilación colectiva de electrones libres cerca de la superficie del metal excitados por la luz, lo que se denomina polaritones de plasmones superficiales (SPP). La generación de SPP en nanoestructuras metálicas da como resultado la distribución no uniforme de campos electromagnéticos cerca de la superficie metálica. Cuando se produce la oscilación de resonancia de electrones libres, lo que se denomina resonancia de plasmón de superficie localizada (LSPR), esta no uniforme alcanza el máximo y hace que el campo electromagnético en algunas áreas cercanas a la superficie del metal se mejore extremadamente. Este campo electromagnético enormemente mejorado genera una mejora espectacular en la eficiencia de varios procesos ópticos en las superficies, como la dispersión Raman mejorada en la superficie (SERS)4,5,6, la catálisis de superficie impulsada por plasmónicos (PDSC)7,8,9,10, la generación de electrones11,12, efectos de segundo armónico13,14, atrapamiento plasmónico15,16, actividad óptica mejorada plasmónica9,17,18, sensor plasmónico19,20,21, etc.

Entre estos fenómenos ópticos mejorados plasmónicos, las investigaciones sobre PDSC son de importante importancia teórica y perspectivas de aplicación. En los últimos veinte años, los tres picos Raman adicionales de PATP adsorbidos en una superficie metálica a 1143, 1390 y 1432 cm−1 se consideraban comúnmente como el resultado de la mejora química en SERS. Sin embargo, en 2009, los investigadores predijeron teóricamente que estos tres Raman procedían de la nueva molécula DMAB, pero no de PATP, que había un progreso en la fotocatálisis en la superficie metálica llamado PDSC22, que pronto se demostró ese mismo año en la superficie de la película Ag y las nanoesferas Ag8,23. . En los siguientes cinco años, las investigaciones en esta área han explorado rápidamente que se han investigado diferentes nanoestructuras metálicas (Au, Ag, Cu) como nanocables24, nanoesferas25, nanopartículas26 y también se informó otra reacción PDSC de DMAB generada por 4NBT7. Explorar la característica de las moléculas y la superficie del metal en la reacción de PDSC es la misión clave de este campo científico que es muy importante para distinguir las señales SERS de los objetivos de origen o la nueva molécula catalizada.

Dado que este proceso de catálisis superficial requiere SPP de alta energía para romper el enlace químico (NH en PATP y NO en 4NBT), el estado de los SPP cerca de la molécula es muy importante para las reacciones de PDSC. Como se sabe, el factor de estructura de la superficie metálica domina las propiedades de los SPP1,27. Por lo tanto, verificar el proceso PDSC en varias nanoestructuras metálicas es el tema crucial en esta área. Debido a su construcción simple y fabricación conveniente, los sistemas de película de nanopartículas metálicas son los sustratos SERS ampliamente utilizados en la detección química y biológica20,28. En los últimos dos años, se ha informado que la redistribución del campo electromagnético causada por el acoplamiento de la carga superficial en la nanopartícula y la carga de la imagen en la película en los sistemas de los sistemas indica que la energía de la luz confinada podría modularse en diferentes áreas de sublongitud de onda mediante la manipulación de la longitud de onda de la luz incidente29, 30,31. Por lo tanto, estudiar la influencia de la redistribución del campo electromagnético en las reacciones de PDSC es una investigación de frontera interesante en campos relacionados.

En informes anteriores sobre la redistribución del campo electromagnético, el monómero y el dímero de nanopartículas consistían en nanopartículas metálicas con tamaños y formas similares y se eligieron para investigar el acoplamiento entre la carga superficial de la partícula y la carga de la imagen en la película30,31. Sin embargo, debido a la restricción intrínseca de la tecnología de nanofabricación, es muy difícil encontrar dos nanopartículas con exactamente los mismos tamaños, formas y distancia entre la brecha de la nanopartícula y la película. Como se sabe, la pequeña variación estructural de la superficie del metal, especialmente por los espacios entre las nanoestructuras, da como resultado la gran diferencia en el acoplamiento de los SPP27. Por lo tanto, la diminuta diferencia estructural de las nanopartículas con tamaños y formas similares es el problema problemático en la demostración estricta de la redistribución del campo electromagnético.

Dado que la oscilación vertical de los SPP en el nanocable podría verse como la de una nanopartícula con un tamaño igual al diámetro del nanocable, la diminuta diferencia estructural de la nanopartícula es superada por los dos nanocables adyacentes en la película. Cuando la polarización de la luz incidente es perpendicular a la dirección de los nanocables, la parte individual de los nanocables (los dos terminales del dímero de nanocables Ag, ilustrados por la flecha azul en la Fig. 1(a)) podría tratarse como el monómero de nanopartículas y la parte adyacente de los nanocables (la mitad del dímero de nanocables de Ag, ilustrada por la flecha azul en la Fig. 1(b)) podría tratarse como el dímero de nanopartículas. Debido al diámetro uniforme del nanocable y al mismo espacio entre la película y el nanocable, el nanocable individual y el dímero del nanocable se convierten en el sistema perfecto para verificar la redistribución del campo electromagnético. En este trabajo, se demostró la reacción PDSC de DMAB producida por PATP y 4NBT en los sistemas de película Ag nanowires-Au. En este sistema de película de nanocables metálicos, los espectros SERS de los espacios de película de dímero de nanocables exhibieron la característica Raman obvia de DMAB, mientras que los de los espacios de película de nanocables individuales presentaron el comportamiento de PATP o 4NBT.

Espectros SERS de 4NBT adsorbidos en película de Au y distribución del campo eléctrico en diferentes posiciones de nanocables de Ag con diámetros similares excitados por láser de 633 nm.

(a) El punto individual izquierdo de los nanocables (como lo indica la flecha azul), (b) el punto adyacente de los nanocables, (c) el punto individual derecho de los nanocables, (d) la distribución del campo E en el individuo superior punto y el punto adyacente. Los recuadros son la imagen SEM correspondiente del sistema de película Ag wire-Au.

Estos resultados experimentales no solo demostraron estrictamente la interesante predicación teórica de la redistribución del campo electromagnético, sino que también indicaron su gran influencia en las reacciones de PDSC. Los resultados teóricos y experimentales también determinaron la importancia de la polarización incidente y el diámetro de los nanocables en las reacciones de PDSC. Nuestro estudio amplió la comprensión de las reacciones de PDSC y tuvo una gran importancia en el campo de SERS y análisis de superficies.

Se adsorbió una monocapa de 4NBT sobre una película de Au de 100 nm de espesor evaporada sobre el sustrato de Si. Luego, los nanocables de Ag se ubicaron aleatoriamente en la película de Au con una monocapa de moléculas entre ellos a través del método de recubrimiento por rotación. Usando un espectrómetro mirco-Raman, los espectros SERS excitados por láser de 633 nm de 4NBT adsorbidos en una película de Au se recolectaron en diferentes posiciones de dos nanocables de Ag adyacentes paralelos con diámetros similares como se muestra en la Fig. 1. Las imágenes SEM insertadas de los nanocables de Ag descubrieron los diámetros eran ambos de aproximadamente 920 nm, mientras que las longitudes eran de 7,5 μm (izquierda) y 4,9 μm (derecha) con una parte adyacente de 3,5 μm. Como se ilustra con la flecha azul en la imagen SEM, las señales SERS con diferente polarización de la luz incidente se recolectaron primero en la parte individual del nanocable izquierdo, que se muestra en la Fig. 1 (a). Tanto el espectro de excitación paralela (θ = 0o, línea negra) como el de excitación perpendicular (θ = 90o, línea roja) presentaron la característica obvia de Raman de 4NBT (picos de Raman a 1084 cm−1, 1175 cm−1, 1336 cm−1 , 1589 cm−1), aunque una mayor intensidad Raman apareció en el excitado perpendicular. Donde θ es el ángulo entre la dirección de polarización de la luz incidente y el eje de los nanocables de plata. Sin embargo, los resultados cambiaron mucho cuando la posición del SERS recolectado se movió a la parte adyacente de los nanocables, como se ilustra en la Fig. 1 (b). En primer lugar, la diferencia de intensidad entre dos polarizaciones fue mucho mayor, casi 8 veces mayor para la intensidad Raman de la excitación perpendicular en comparación con la excitación paralela en un pico Raman de 1084 cm−1. En segundo lugar, aparecieron más picos Raman en la situación excitada perpendicular, mientras que solo había tres picos Raman en 1084 cm−1, 1175 cm−1, 1336 cm−1, 1589 cm−1 presentados en un espectro excitado paralelo. Además, los picos Raman adicionales a 1143 cm−1, 1390 cm−1, 1432 cm−1 en el espectro excitado perpendicular confirmaron la generación de DMAB producido por 4NBT a través de reacciones PDSC. Interesante, los resultados regresaron cuando la posición recolectada se movió a la parte individual del nanocable derecho como se muestra en la Fig. 1 (c). Aunque solo hubo picos Raman de 4NBT como 1084 cm−1, 1175 cm−1, 1336 m−1, 1589 cm−1 exhibidos en espectros excitados tanto perpendiculares como paralelos, el perpendicular todavía tenía una intensidad Raman un poco más fuerte. Para comprender la variación de los espectros SERS en el sistema de nanocables, también se investigó la distribución de campos cercanos a través del método COMSOL aquí. En la Fig. 1(d), las dos imágenes de la izquierda ilustran la distribución electromagnética mejorada de la parte individual y la parte adyacente del nanocable en una situación de excitación perpendicular, en la que las flechas amarilla y roja representan las direcciones de polarización y propagación de la luz incidente, respectivamente. Era obvio que la intensidad del campo eléctrico en el espacio de la película de nanocables de la parte adyacente era mucho más fuerte que la de la parte individual. Debido a que la intensidad SERS es proporcional a (E/E0)^4, el resultado de esta simulación presentó una buena explicación de la intensidad Raman mucho mayor obtenida en la parte adyacente de la Fig. 1(b). En las dos imágenes de la izquierda en la Fig. 1 (d), la monocapa de la molécula 4NBT (o PATP) solo se adsorbe en la película de Au. El gran campo eléctrico mejorado que se encuentra en la brecha nanocable-nanocable no contribuyó a la intensidad del SERS. Mientras tanto, las dos imágenes de la derecha en la Fig. 1 (d) indicaron el campo eléctrico mejorado del sistema de nanocables en una situación de excitación paralela. Obviamente, la intensidad del campo eléctrico aquí era mucho más débil en comparación con el excitado perpendicular que era demasiado débil para distinguir la redistribución del campo eléctrico entre la parte individual y la parte adyacente. Los resultados de esta simulación fueron consistentes con los resultados de nuestro experimento SERS de que todas las intensidades Raman en espectros excitados en paralelo recopilados en diferentes posiciones de este sistema de película de nanocables eran más débiles.

Para comprender la influencia de la longitud de onda en PDSC en este sistema de película de nanocables, se investigaron los espectros SERS de 4NBT adsorbidos en película de oro iluminada por láser de 532 nm o 633 nm en las diferentes posiciones en el mismo sistema. Teniendo en cuenta que el acoplamiento de plasmones entre los nanocables y también entre los nanocables y la película en una situación de excitación paralela era demasiado débil para investigar la redistribución del campo electromagnético, en las siguientes secciones solo se analizaron los resultados de la excitación perpendicular. La imagen SEM insertada en la Fig. 2 indicó que los dos nanocables de Ag calcularon que las longitudes eran de 6,9 μm y 12,2 μm con la parte adyacente de 2,3 μm. Aunque las intensidades de los espectros SERS excitados por láser de 532 nm en la Fig. 2 (a) eran débiles, aún era obvio distinguir la característica Raman de 4NBT, como el pico en 1084 cm-1, 1175 cm-1, 1336 cm-1, 1589 cm-1 en ambos espectros de la parte individual (línea posterior) y la parte adyacente (línea roja), cuyas posiciones recopiladas se indicaron con flechas negras y rojas en la imagen SEM, respectivamente. Mientras tanto, los espectros SERS excitados por un láser de 633 nm en el mismo sistema de película de nanocables en la Fig. 2 (b) presentaron resultados muy diferentes aquí. En primer lugar, las intensidades Raman eran mucho mayores (~10 veces) que las excitadas por un láser de 532 nm en un pico Raman de 1084 cm−1. En segundo lugar, cuantos más picos Raman, como 1143 cm−1, 1390 cm−1, 1432 cm−1 en el espectro de la parte adyacente (línea roja), descubrieron la generación de DMAB, mientras que el espectro de la parte individual (línea negra) solo mostró la función Raman de 4NBT. Para comprender este fenómeno, se estudió la distribución de campo cercano correspondiente a 532 nm o 633 nm en este sistema de película de nanocables y los resultados de la simulación se ilustraron en la Fig. 2 (c), donde el espacio de la película de nanocables en una parte individual, el nanocable -brecha de película en la parte adyacente (izquierda y derecha) y la brecha de nanoalambre-nanoalambre se definieron como brecha A, brecha B, brecha D y brecha C. Era obvio que las intensidades de campo eléctrico en la brecha B y D eran mucho mayores que en gap A, que era consistente con nuestros espectros SERS sin importar que la longitud de onda del láser incidente fuera 532 nm o 633 nm. Además, la intensidad de campo eléctrico más débil a 532 nm en el mismo sistema contribuyó a la intensidad de SERS más fuerte a 633 nm, que también se atribuyó en parte a la transición de electrones 3d del material Au a 532 nm. La dependencia detallada de la longitud de onda de la distribución mejorada del campo eléctrico se ilustró en la Fig. 2 (d), donde las líneas de puntos verde y roja representaron los 532 nm y 633 nm. La variación de las intensidades del campo eléctrico en varios espacios aquí indicó que el área confinada de energía luminosa por los SPP estaba muy influenciada por la longitud de onda. En todo el espectro, las intensidades de campo eléctrico en el espacio B (línea negra) y D (línea azul) de la película de nanocables eran casi las mismas, siempre más altas que en el espacio A (línea rosa). Esto significaba que la parte adyacente del sistema tenía una mayor capacidad para confinar la luz en la película que la parte individual. Sin embargo, fue más complejo en la parte adyacente, ya que se centró en la intensidad del campo eléctrico en el espacio C (línea roja). Cuando la longitud de onda era menor que ~ 645 nm, la intensidad del campo eléctrico en el espacio C de nanocables-nanocables era mayor que en los espacios de nanocables-películas (ya sea el espacio B o D). Esto significó que los SPP prefirieron confinar la luz en nanocables pero no en película, lo que fue confirmado por las imágenes de distribución de campo eléctrico en la Fig. 2 (c). Interesante, cuando la longitud de onda era mayor que ~ 645 nm, la línea azul y negra aumentada mucho más rápido en comparación con la línea roja en la Fig. 2 (d) indicaba que el sistema de película de nanocables tenía una capacidad más poderosa para confinar la luz en la película a mayor longitud de onda. Aquí, la diferencia de intensidades de campo eléctrico en el espacio B y D contribuyó a la mínima diferencia en el diámetro de dos nanocables que eran 1012 nm y 1070 nm respectivamente. En nuestro experimento (532 nm o 633 nm), la mejora de campo más fuerte se produce en la brecha entre los nanocables vecinos (brecha C). Sin embargo, en este trabajo, la molécula PATP o 4NBT solo se adsorbe en la película de Au, pero no en los nanocables de Ag, cuyas reacciones de PDSC estaban dominadas por el plasmón superficial en el espacio entre el nanocable de Ag y las películas de Au (brecha B o D). Por lo tanto, aunque el gran campo eléctrico mejorado generado en la brecha entre los nanocables vecinos, no contribuyó a la intensidad de SERS.

Espectros SERS de 4NBT adsorbidos en película de Au y distribución del campo eléctrico en diferentes posiciones de nanocables de Ag perpendicularmente excitados por láser de 532 nm y 633 nm.

(a) Cuando se excita a 532 nm, (b) Cuando se excita a 633 nm, (c) Distribución del campo E de los puntos que se muestran en los recuadros (flecha roja y negra en (b)), (d) Realce del campo E en los espacios A , B, C, D (mostrado en (c)).

Dado que el diámetro del nanoalambre de Ag tuvo un efecto sobre la intensidad del campo eléctrico mejorado en los espacios de la película de nanoalambres como se describió anteriormente, aquí también se investigaron los dos nanoalambres de Ag adyacentes con diferentes diámetros en este sistema de película de nanoalambres. Como la imagen SEM insertada en la Fig. 3 (a), se ubicaron dos nanocables de Ag con una microparte adyacente de 10,7 μm en la monocapa 4NBT adsorbida en una película de Au, donde los diámetros de los dos nanocables eran 1182 nm y 1000 nm y la longitud de ellos eran de 14 μm y 13,5 μm respectivamente. Los dos espectros SERS excitados por 633 nm en la Fig. 3 (a) se recolectaron en la parte individual (línea negra) y la parte adyacente (línea roja) como indican las flechas. Aunque los diámetros eran diferentes, el fenómeno de los espectros SERS era casi el mismo que la característica Raman mucho más fuerte de DMAB se exhibió en los espectros SERS de la parte adyacente, mientras que la parte individual solo presenta la característica Raman más débil de 4NBT. La distribución del campo eléctrico correspondiente a 633 nm en la Fig. 3 (b) confirmó aún más las conclusiones de SERS de que los espacios de la película de nanocables tenían una mayor intensidad de campo eléctrico en la parte adyacente que en la parte individual. Además, en este trabajo también se estudiaron otros dos nanohilos de Ag adyacentes con gran diferencia de diámetros. El inserto de imagen SEM en la Fig. 3 (c) ilustra estos dos nanocables con una parte adyacente de 15,4 μm cuya longitud era de 19,8 μm y 27,8 μm con un diámetro de 952 nm y 476 nm. En este sistema de película de nanocables, los espectros SERS también exhibieron la catálisis selectiva de la posición de que la característica Raman de DMAB se presentó en la parte adyacente pero no en la parte individual, lo que fue confirmado por la distribución del campo eléctrico en la Fig. 3 (d ). Dado que los dos nanocables de Ag adyacentes en la Fig. 3 (c, d) estaban ubicados en la monocapa de PATP adsorbida en la película de Au, esta catálisis selectiva en el sistema de película de nanocables era compatible con 4NBT o PATP.

Espectros SERS de 4NBT y PATP adsorbidos en película de Au y distribución del campo eléctrico en diferentes posiciones de nanocables de Ag con diferentes diámetros.

(a) espectros SERS de 4NBT, (b) distribución de campo E de la película Ag wires-Au (que se muestra en el recuadro de la imagen (a)), (c) espectros SERS de PATP, (d) distribución de campo E de Ag alambres-película de Au (que se muestra en el recuadro de la imagen (c)).

La dependencia de la polarización de las intensidades de SERS en la misma posición que se muestra en la Fig. 1 podría entenderse por la excitación y el acoplamiento de los SPP. Cuando la polarización de la luz incidente es paralela a los nanocables, la oscilación de los SPP está a lo largo del eje del nanocable y el acoplamiento de los SPP entre los nanocables es tan débil que la parte adyacente de dos nanocables podría tratarse como dos nanocables individuales. Pero en las situaciones de excitación perpendicular, la oscilación de los SPP es vertical al eje de los nanocables y se produjo un fuerte acoplamiento de plasmones entre dos nanocables adyacentes que podría tratarse como dos nanopartículas adyacentes. Teniendo en cuenta el diámetro uniforme en el nanocable de Ag sintetizado químicamente, la parte individual y la parte adyacente del nanocable podrían verse como dos nanopartículas en monómero o dímero con las mismas formas y tamaño en situaciones excitadas perpendiculares. Los espectros SERS excitados de 532 nm o 633 nm recopilados en la parte individual o adyacente en la Fig. 2 (a, b) demostraron la catálisis selectiva en este sistema de película de nanocables, que consistía en la distribución de campo eléctrico simulado correspondiente en la Fig. 2 ( d). Como lo indican las líneas discontinuas verde y roja, las intensidades del campo eléctrico en el espacio de la nanopelícula en la parte adyacente (espacio B y D) siempre fueron mayores que en la parte individual (espacio A), que eran casi 8 veces mayores a 532 nm y 11 veces mayor a 633 nm. Este campo eléctrico mejorado podría entenderse por la redistribución del campo electromagnético. Con la ayuda de la carga de imagen inducida en las películas de Au, los dipolos eléctricos efectivos se ubicaron en los espacios de la película de nanocables en la parte adyacente pero no en la parte individual, lo cual fue similar a nuestro trabajo anterior en el sistema de dímero de nanopartículas25,26,30, 31 Teniendo en cuenta que la intensidad de SERS es proporcional a (E/E0)^4, esta mejora de campo podría generar una gran diferencia de intensidad de SERS en diferentes posiciones en el sistema de película Ag nanowire-Au. Sin embargo, las intensidades de SERS en la medición del experimento correspondiente no fueron mucho mayores en la parte adyacente de la Fig. 2 (a, b), que fue casi 2 veces mayor a 633 nm (o 532 nm). Además de la transición de electrones 3d del material de Au a 532 nm y el error del experimento (como que la posición precisa del nanocable de Ag no se pudo controlar exactamente en el centro de la luz enfocada con 2–3 μm de diámetro debido al límite de difracción), esta diferencia en el experimento y la simulación puede atribuirse a la guía de ondas de plasmón en Ag nanwire. En nuestro experimento SERS, el diámetro de la luz incidente enfocada por un objetivo fue de aproximadamente 2 a 3 μm, mientras que las longitudes de la parte adyacente en la Fig. 2 fueron de 2,3 μm, lo que significa que los terminales del nanocable Ag probablemente fueron iluminados por la luz incidente. Según informes anteriores sobre la guía de ondas de plasmón32,33, la luz podría acoplarse a los SPP que se propagan en nanocables de Ag en el defecto (como terminales, nanopartículas adyacentes) para generar una guía de ondas de plasmón. En la medición SERS del dímero de nanocables de Ag en la Fig. 2, la guía de ondas podría perder la luz y se obtuvo la mejora más débil en la parte adyacente. Esta razón también podría ser responsable de las intensidades SERS no mucho mayores en la parte adyacente de la Fig. 1, en la que la longitud de la parte adyacente era de solo 3,5 μm. Sea lo que sea, los tres picos Raman de DMAB que se muestran en las figuras 1 y 2 demuestran la mayor mejora del campo en la parte adyacente en comparación con la parte individual. En nuestra información de apoyo, se investigó el dímero de nanocables de Ag con una parte adyacente más larga (alrededor de 5,6 μm) en un entorno experimental similar. Las señales Raman recolectadas exhibieron intensidades mucho mayores que eran casi 11 veces mayores en el pico Raman de 1336 cm-1 y 14 veces mayores en el pico Raman de 1589 cm-1. La transferencia del confinamiento de energía electromagnética desde el espacio entre nanocables y nanocables hasta los espacios entre nanocables y películas manipulados por longitud de onda en la Fig. 2(d) podría entenderse por el hecho de que la excitación y el acoplamiento de los SPP están muy influenciados por la longitud de onda de la luz incidente, que es consistente con los informes en el sistema de película de nanopartículas25,26,30,31. En este trabajo, se encontró que el diámetro del nanocable tiene una influencia en la redistribución del campo electromagnético, aunque no anuló la conclusión de que la parte adyacente tiene una mayor capacidad para confinar la luz en la película. Dado que siempre hay una diferencia de tamaño o forma entre las nanopartículas, es interesante estudiar más a fondo la influencia del diámetro.

En resumen, las reacciones PDSC de DMAB convertidas a partir de 4NBT y PATP se investigaron en el sistema de película de nanocables metálicos. Gracias al diámetro uniforme del mismo nanocable, la influencia de la diferencia de tamaño en el dímero de nanopartículas sobre la redistribución del campo electromagnético queda excluida en este sistema de película de nanocables. Los resultados indicaron que la reacción de PDSC se realiza en la parte adyacente de dos nanocables para un campo eléctrico mucho más grande producido por la carga de imagen inducida en la película. Esta catálisis de superficie selectiva inducida por la redistribución del campo electromagnético se ve afectada en gran medida por la longitud de onda de la luz incidente, pero ligeramente por la diferencia de diámetros entre dos nanocables. Debido a la estructura simple y la operación conveniente de los sistemas de película de nanocables, la catálisis de superficie inducida por redistribución del campo electromagnético en nuestros trabajos se aplica ampliamente no solo en catálisis química en superficies metálicas, sino también en otros campos plasmónicos como sensor ambiental, detección de fotones, separación de agua y etc.

PATP y 4NBT se compraron todos a Aladdin Industrial Corporation.

En condiciones de alto vacío, se utilizó un sistema de evaporación por haz de electrones (modelo Peva-600E) para evaporar la capa de Au (100 nm de espesor) sobre silicio como sustrato para la medición de SERS. Por las imágenes de microscopía de fuerza atómica (AFM), la rugosidad superficial promedio de la película de Au se evaluó en 2.249 nm.

Después del lavado centrífugo varias veces, el nanocable de plata en solución de etanol con baja concentración se deja caer sobre una película de oro a través del método de recubrimiento por rotación. Debido a la tensión superficial en la rápida evaporación del etanol, algunos nanocables de Ag se juntan para generar un dímero de nanocables de Ag. Dado que esta reunión no es lo suficientemente estrecha, se estima que la distancia de separación entre los nanocables es de 1 nm. Y el grosor de la capa entre los nanocables de Ag y la película de Au también se estima en 1 nm para la monocapa de moléculas de PATP o 4NBT que se adsorbe en la película de Au.

Utilizando un espectrómetro Micro-Raman comercial (Horiba) con un filtro del 5 % combinado con láser de 532 nm o un filtro combinado del 10 % con un láser de 633 nm, su potencia de salida total es de 57 mW y 17 mW respectivamente. Por lo tanto, cuando el láser se irradia a una muestra a través del filtro, su la intensidad es de casi 2,8 mW y 1,7 mW.

La redistribución del campo electromagnético de los sistemas de película de nanocables metálicos se simuló utilizando el método de elementos finitos (paquete comercial COMSOL 4.3b). El nanocable ubicado 1 nm por encima de las películas de Au (100 nm de espesor) se evaporó sobre el sustrato de Si. Los sistemas de película de nanocables metálicos utilizados en este documento tienen dos nanocables paralelos entre sí con una separación de dímero de borde a borde de 1 nm.

Cómo citar este artículo: Pan, L. et al. La redistribución del campo electromagnético indujo catálisis superficial impulsada por plasmones selectivos en sistemas de película de nanocables metálicos. ciencia Rep. 5, 17223; doi: 10.1038/srep17223 (2015).

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Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (11204390, 11004257), Proyecto de la Fundación de Ciencias Naturales de CQ CSTC (2014jcyjA40002, 2011jjA90017), Fondos de Investigación Fundamental para las Universidades Centrales (106112015CDJZR300003, CDJZR10100029, 1061120 14CDJZR165503, CQDXWL-2012-016 ) y Fondo especial para la investigación agrocientífica de interés público (NO. 201303045) y fondo compartido de equipos a gran escala de la Universidad de Chongqing 201506150046.

Centro de Investigación Interdisciplinaria y de Materia Blanda, Facultad de Física, Universidad de Chongqing, Chongqing, 400044, PR China

Liang Pan, Yingzhou Huang y Yanna Yang

Departamento de Física Aplicada, Facultad de Física, Universidad de Chongqing, Chongqing, 400044, PR China

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

Departamento de Física, Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong, Clear Water Bay, Kowloon, Hong Kong, China

weijia wen

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WW y YH iniciaron y supervisaron el proyecto. YH y SW diseñaron los experimentos de espectros. LP midió experimentalmente los espectros SERS. YY preparó los cables plateados, HW hizo la simulación, YH y XS analizaron los datos, WX y GC brindaron sugerencias para la redacción del artículo. YH y PL escribieron el documento y YH, WW y SW discutieron y revisaron el manuscrito.

Los autores declaran no tener intereses financieros en competencia.

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Reimpresiones y permisos

Pan, L., Huang, Y., Yang, Y. et al. La redistribución del campo electromagnético indujo catálisis superficial impulsada por plasmones selectivos en sistemas de película de nanocables metálicos. Informe científico 5, 17223 (2015). https://doi.org/10.1038/srep17223

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Recibido: 26 junio 2015

Aceptado: 27 de octubre de 2015

Publicado: 25 noviembre 2015

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

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