(50-2) 7 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Локализованные плазмонные резонансы сферических частиц из благородных металлов, частично интегрированных в подложку
А.В. Дышлюк1,2

1Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, 690041, г. Владивосток, ул. Радио, д. 5;
2Владивостокский государственный университет, 690014, г. Владивосток, ул. Гоголя, д. 41

  Полный текст (PDF)

DOI: 10.18287/COJ1765

ID статьи: 1765

Аннотация:
Исследованы оптические свойства золотых и серебряных дипольных сферических наноантенн, утопленных в металлическую подложку с малым полым зазором между наноантенной и подложкой. Продемонстрировано влияние всех геометрических и оптических параметров наноантенны на ее спектральный отклик, включая материал, глубину погружения в подложку, радиус, ширину зазора, показатель преломления окружающей среды и размер основания. Продемонстрировано сильное красное смещение локализованного плазмонного резонанса наноантенны по мере ее погружения в подложку, а также значительное усиление ближнего поля, которое локализуется главным образом в области зазора. Показано, что данные эффекты усиливаются с увеличением радиуса наноантенны и уменьшением ширины зазора. Продемонстрирована высокая спектральная чувствительность резонансного пика к показателю преломления окружающей среды, более чем в 4 раза превышающая чувствительность изолированной наноантенны без подложки. Полученные в работе результаты могут найти применение для построения новых функциональных элементов плазмоники и нанофотоники для концентрации, усиления и перераспределения электромагнитного поля, а также для создания рефрактометрических сенсоров.

Ключевые слова:
локализованный плазмонный резонанс, дипольная сферическая наноантенна, наноантенна на подложке, плазмоника.

Цитирование:
Дышлюк, А.В. Локализованные плазмонные резонансы интегрированных в подложку дипольных сферических наноантенн из благородных металлов / А.В. Дышлюк // Компьютерная оптика. - 2026. - Т. 50, № 2. - 1765. - DOI: 10.18287/COJ1765.

Citation:
Dyshlyuk AV. Localized plasmon resonances of spherical particles of noble metals partially integrated into the substrate. Computer Optics 2026; 50(2): 1765. DOI: 10.18287/COJ1765.

References:

  1. Tonkaev P, Kivshar Y. High-Q dielectric Mie-resonant nanostructures (brief review). JETP Lett 2020; 112(10): 615-622. DOI: 10.1134/S0021364020220038.
  2. Berestennikov A, Pushkarev AP, Makarov SV. Halide perovskite microplates coupled with optically resonant silicon nanoparticles. Bull Russ Acad Sci: Phys 2022; 86(Suppl 1): S20-S23. DOI: 10.3103/S1062873822700319.
  3. Melnik NN, Sherstnev IA, Tregulov VV. Studying silver nanoparticles deposited on surfaces of porous silicon and a single crystal by chemical means. Bull Russ Acad Sci: Phys 2021; 85(9): 990-992. DOI: 10.3103/S1062873821090227.
  4. Zhang G, Lan C, Bian H, Gao R, Zhou J. Flexible, all-dielectric metasurface fabricated via nanosphere lithography and its applications in sensing. Opt Express 2017; 25(18): 22038-22045. DOI: 10.1364/OE.25.022038.
  5. Holloway CL, Kuester EF, Gordon JA, O'Hara J, Booth J, Smith DR. An overview of the theory and applications of metasurfaces: The two-dimensional equivalents of metamaterials. IEEE Antennas Propag Mag 2012; 54(2): 10-35. DOI: 10.1109/MAP.2012.6230714.
  6. Alvarez-Fernandez A, Cummins C, Saba M, Steiner U, Fleury G, Ponsinet V, Guldin S. Block copolymer directed metamaterials and metasurfaces for novel optical devices. Adv Opt Mater 2021; 9(16): 2100175. DOI: 10.1002/adom.202100175.
  7. Aristov AI, Zywietz U, Evlyukhin AB, Reinhardt C, Chichkov BN, Kabashin AV. Laser-ablative engineering of phase singularities in plasmonic metamaterial arrays for biosensing applications. Appl Phys Lett 2014; 104(7): 071101. DOI: 10.1063/1.4865553.
  8. Kuznetsov AI, Evlyukhin AB, Gonçalves MR, Reinhardt C, Koroleva A, Arnedillo ML, Kiyan R, Marti O, Chichkov BN. Laser fabrication of large-scale nanoparticle arrays for sensing applications. ACS Nano 2011; 5(6): 4843-4849. DOI: 10.1021/nn2009112.
  9. Su X, Gao L, Zhou F, Duan G. A substrate-independent fabrication of hollow sphere arrays via template-assisted hydrothermal approach and their application in gas sensing. Sens Actuators B: Chem 2017; 251: 74-85. DOI: 10.1016/j.snb.2017.05.024.
  10. Yockell-Lelièvre H, Lussier F, Masson JF. Influence of the particle shape and density of self-assembled gold nanoparticle sensors on LSPR and SERS. J Phys Chem C 2015; 119(51): 28577-28585. DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b09570.
  11. Wu J, Yang X, Fang J. Sensitive and reliable SERS substrates based on hierarchical nanoparticle arrays fabricated by confined spheroidization. Part Part Syst Charact 2019; 36(8): 1900268. DOI: 10.1002/ppsc.201900268.
  12. Christie D, Lombardi J, Kretzschmar I. Two-dimensional array of silica particles as a SERS substrate. J Phys Chem C 2014; 118(17): 9114-9118. DOI: 10.1021/jp412821w.
  13. Zhang H, Zhou F, Liu M, Liu D, Men D, Cai W, Duan G, Li Y. Spherical nanoparticle arrays with tunable nanogaps and their hydrophobicity enhanced rapid SERS detection by localized concentration of droplet evaporation. Adv Mater Interfaces 2015; 2(9): 1500031. DOI: 10.1002/admi.201500031.
  14. Kukushkin VI, Astrakhantseva AS, Morozova EN. Influence of the morphology of metal nanoparticles deposited on surfaces of silicon oxide on the optical properties of SERS substrates. Bull Russ Acad Sci: Phys 2021; 85(2): 133-140. DOI: 10.3103/S1062873821020155.
  15. Moreno F, Saiz JM, González F. Light scattering by particles on substrates. Theory and experiments. In Book: Light scattering and nanoscale surface roughness. Boston, MA: Springer Science-Business Media LLC; 2007: 305-340. DOI: 10.1007/978-0-387-35659-4_12.
  16. Sommerfeld A. Partial differential equations in physics. Academic Press; 1949. ISBN: 978-0-12-654658-3.
  17. Chew WC. Waves and fields in inhomogeneous media. Amsterdam: Van Nostrand Reinhold; 1990.
  18. Felsen LB, Marcuvitz N. Radiation and scattering of waves. John Wiley & Sons; 1994. ISBN: 978-0-780-31088-9.
  19. Novotny L, Hecht B. Principles of nano-optics. Cambridge: Cambridge University Press; 2012. ISBN: 978-1-107-00546-4.
  20. Knight MW, Wu Y, Lassiter JB, Nordlander P, Halas NJ. Substrates matter: influence of an adjacent dielectric on an individual plasmonic nanoparticle. Nano Lett 2009; 9(5): 2188-2192. DOI: 10.1021/nl900945q.
  21. Mishchenko MI, Hovenier JW, Travis LD. Light scattering by nonspherical particles: theory, measurements, and applications. Meas Sci Technol 2000; 11(12): 1827. DOI: 10.1088/0957-0233/11/12/705.
  22. González F, Videen G, Valle PJ, Saiz JM, De la Pena JL, Moreno F. Light scattering computational methods for particles on substrates. J Quant Spectrosc Radiat Transf 2001; 70(4-6): 383-393. DOI: 10.1016/S0022-4073(01)00018-8.
  23. Germer TA. Light scattering by slightly nonspherical particles on surfaces. Opt Lett 2002; 27(13): 1159-1161. DOI: 10.1364/OL.27.001159.
  24. Kim JH, Ehrman SH, Mulholland GW, Germer TA. Polarized light scattering by dielectric and metallic spheres on silicon wafers. Appl Opt 2002; 41(25): 5405-5412. DOI: 10.1364/AO.41.005405.
  25. Vesperinas MN. Scattering and diffraction in physical optics. 2nd ed. World Scientific Publishing Co Pte Ltd; 2006. ISBN: 981-256-340-7.
  26. Curry A, Nusz G, Chilkoti A, Wax A. Substrate effect on refractive index dependence of plasmon resonance for individual silver nanoparticles observed using darkfield micro-spectroscopy. Opt Express 2005; 13(7): 2668-2677. DOI: 10.1364/OPEX.13.002668.
  27. Catchpole KR, Polman A. Design principles for particle plasmon enhanced solar cells. Appl Phys Lett 2008; 93(19): 191113. DOI: 10.1063/1.3021072.
  28. Van de Groep J, Polman A. Designing dielectric resonators on substrates: Combining magnetic and electric resonances. Opt Express 2013; 21(22): 26285-26302. DOI: 10.1364/OE.21.026285.
  29. Duval Malinsky M, Kelly KL, Schatz GC, Van Duyne RP. Nanosphere lithography: effect of substrate on the localized surface plasmon resonance spectrum of silver nanoparticles. J Phys Chem B 2001; 105(12): 2343-2350. DOI: 10.1021/jp002906x.
  30. Beck FJ, Polman A, Catchpole KR. Tunable light trapping for solar cells using localized surface plasmons. J Appl Phys 2009; 105(11): 114310. DOI: 10.1063/1.3140609.
  31. Dyshlyuk AV, Proskurin A, Bogdanov AA, Vitrik OB. Analytical calculations of scattering amplitude of surface plasmon polaritons excited by a spherical nanoantenna. Nanomaterials 2021; 11(11): 2937. DOI: 10.3390/nano11112937.
  32. Dyshlyuk AV, Bogdanov AA, Vitrik OB. Excitation of surface plasmon waves by a nanoantenna: simple analytical solution and its numerical verification. Computer Optics 2020; 44(6): 893-900. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-755.
  33. Petrov YV, Romashevskiy SA, Dyshlyuk AV, Khokhlov VA, Eganova EM, Polyakov MV, Evlashin SA, Ashitkov SI, Vitrik OB, Inogamov NA. Anomalous light transmission of optically thick nickel films acting as optoacoustic transducers [In Russian]. Zhurnal Eksperimental'noy i Teoreticheskoy Fiziki 2025; 167(5): 645-671. DOI: 10.31857/S0044451025050049.
  34. Dyshlyuk AV, Inogamov NA, Vitrik OB. Optical properties of the substrate-buried spherical dipole nanoantenna. Bull Russ Acad Sci: Phys 2024; 88(Suppl 3): S450-S456. DOI: 10.1134/S1062873824710006.
  35. Johnson PB, Christy RW. Optical constants of the noble metals. Phys Rev B 1972; 6(12): 4370. DOI: 10.1103/PhysRevB.6.4370.
  36. Palik ED, ed. Handbook of optical constants of solids. Academic Press; 1998. ISBN: 978-0-12-544415-6.
  37. Jackson JD. Classical electrodynamics. 3rd ed. John Wiley & Sons; 2021.
  38. Barrera RG, del Castillo-Mussot M, Monsivais G, Villaseor P, Mochán WL. Optical properties of two-dimensional disordered systems on a substrate. Phys Rev B 1991; 43(17): 13819. DOI: 10.1103/PhysRevB.43.13819.
  39. Valamanesh M, Borensztein Y, Langlois C, Lacaze E. Substrate effect on the plasmon resonance of supported flat silver nanoparticles. J Phys Chem C 2011; 115(7): 2914-2922. DOI: 10.1021/jp1056495.
  40. Okamoto T, Yamaguchi I. Optical absorption study of the surface plasmon resonance in gold nanoparticles immobilized onto a gold substrate by self-assembly technique. J Phys Chem B 2003; 107(38): 10321-10324. DOI: 10.1021/jp034537l.
  41. Letnes PA, Simonsen I, Mills DL. Substrate influence on the plasmonic response of clusters of spherical nanoparticles. Phys Rev B -- Condens Matter Mater Phys 2011; 83(7): 075426. DOI: 10.1103/PhysRevB.83.075426.

Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: journal@computeroptics.ru; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20