Elektromagnetische energieherverdeling in gekoppeld chiraal deeltjesketen-filmsysteem

Resultaten en discussies

De absorptiespectra en CD-spectra-analyse

De absorptiespectra van de systemen voor LCP- en RCP-licht zijn uitgezet met blauwe en rode ononderbroken curven in figuur 1c. Het is te zien dat er vier belangrijke plasmonresonantiepieken zijn, die rond 590, 635, 710 en 785 nm liggen. Als we de twee absorptiespectra vergelijken, zijn er duidelijk verschillen in de piekposities en de intensiteit van de resonantiepiek in het bereik van 530 tot 860 nm, wat vooral duidelijk is in de twee korte resonantiegolflengten. Afbeelding 1c onderste paneel toont de cd-spectra (CD ≈ ΔA = (1 − R _R ) − (1 − R _L ) = R _L − R _R in ons systeem, R _L en R _R zijn reflectiviteit voor de structuur die wordt opgewekt door respectievelijk LCP- en RCP-licht) van dit systeem. We kunnen zien dat er sterkere CD-reacties zijn in de buurt van de resonantiepieken. Door de chirale rangschikking van de deeltjes zijn de reacties van de vier deeltjes verschillend. De interacties tussen verschillende reagerende deeltjes zullen leiden tot een totaal responsverschil voor LCP en RCP, dat chiraal is. De respons kan worden verklaard door gebruik te maken van matching of mismatch van de elektrische vector en de structuurmodi op een bepaald moment. Zeer vergelijkbaar met een Born-Kuhn-model, zal de roterende elektrische veldvector overeenkomen met verschillende modi op verschillende momenten in een periode van LCP en RCP en de elektrische vectoren van LCP en RCP roteren in tegenrichtingen [57, 58], wat ook voorgesteld in verschillende eerdere werken [42]. In de toestand van het deeltjesketensysteem zullen de afbeeldingsladingen op de film echter een interactie aangaan met de deeltjesketen en een gelijkwaardige dubbele keten vormen. Als gevolg hiervan zijn er sterke CD-reacties vanwege de roterende elektrische vectoren van invallend LCP- of RCP-licht dat langs of tegen de dipoolrichting is die wordt gevormd door de LH-deeltjesketen op film bij specifieke excitatiegolflengten.

De vergelijking van absorptiespectra en circulair dichroïsmespectra voor verschillende openingen tussen deeltjes wordt in aanvullend bestand 1:figuur S1 geplaatst om de trend te helpen weergeven. We kunnen zien dat wanneer de kloof kleiner wordt, de CD sterker wordt, wat niet verwonderlijk is vanwege de sterkere interacties.

Circulair gepolariseerd licht focusanalyse

Onze eerdere studies hebben aangetoond dat "hot spots" met een hoge elektromagnetische veldversterking voor het nanodeeltjes-metaalfilmsysteem niet alleen voorkomen tussen nanodeeltjes, maar ook tussen nanodeeltjes en metaalfilm. En in sommige gevallen is het elektromagnetische veld tussen deeltje en film zelfs nog sterker [35, 36]. De elektromagnetische energie zou zich herverdelen vanwege de verschillende interacties tussen chirale deeltjesketenfilm en LCP/RCP-opwindende lichten. Het focusseringseffect van de nabij-veldenergie van het systeem wordt onderzocht voor circulair gepolariseerd licht met verschillende verschillen, zoals weergegeven in Fig. 2. Figuur 2a, b toont de elektrische veldverdeling in het midden van de opening tussen de chirale deeltjesketen en de Ag-film op de resonantiepieken voor respectievelijk LCP- en RCP-licht. Voor het gemak zijn de openingen tussen deeltjes met verschillende diameters en film gelabeld als F1, F2, F3 en F4 (zoals getoond in de rechterkolom van Fig. 2c. In Fig. 2a, b geeft elke grafiek de elektrische veldverdeling weer bij overeenkomstige resonantiepiek, en elke veldverbeteringspositie komt respectievelijk overeen met F1, F2, F3 en F4. Bij dezelfde geëxciteerde golflengte vertonen de veldverbeteringspositie en de intensiteit een duidelijk verschil voor LCP en RCP. Bij 590, 635, 710 en 785 nm resonantiegolflengten, de sterkste velden treden op bij respectievelijk F1, F4, F2 en F4. Voor LCP zijn de overeenkomstige maximale veldverbeteringen respectievelijk 270, 346, 333 en 385. De sterkste velden komen echter voor bij F3, F2 , F3 en F3-F4 bij een hogere golflengte voor RCP, en de bijbehorende maximale verbeteringen zijn respectievelijk 187, 319, 463 en 386. Bovendien laten de veldverbeteringen van andere hiaten ook diversiteit zien voor verschillende golflengten voor LCP en RCP. 2c toont de elektrische veldintensiteit in hiaten tussen verschillende deeltjes-film in het chirale deeltjesketen-filmsysteem met de opwindende golflengte variërend van 400 tot 1000 nm. De blauwe ononderbroken kromme vertegenwoordigt het elektrische veld voor LCP en de rode ononderbroken kromme voor RCP. Ruwweg vindt de maximale verbetering plaats bij kleinere deeltjes met een kortere golflengte-resonantiepiek en bij een grotere deeltjesafstand met een langere golflengte-resonantiepiek, wat in overeenstemming is met de verwachting, maar niet absoluut. Bovendien, in dezelfde opening met verschillende resonantiepieken, of in verschillende hiaten bij dezelfde resonantiepiek, vertonen de nabije-veldverbeteringen ook significante verschillen in de posities van de resonantiepiek en de intensiteit van de verbetering voor verschillend circulair gepolariseerd licht. In de gaten van F1 en F2 treedt het maximale verbeteringsverschil dat wordt veroorzaakt door verschillende polariteit van LCP-licht en RCP-licht op rond de resonantiegolflengte van 635 nm, en de verhoudingen van de verbeteringen onder RCP en LCP zijn respectievelijk 3,5 en 5,5 voor F1 en F2. Voor F3 zijn de grotere verbeteringsverschillen gebaseerd op 635 en 710 nm, en de verbeteringsverhoudingen voor LCP tot RCP zijn respectievelijk 3 en 0,5. Het is vermeldenswaard dat de 0,5-voudige verbetering hier een sterkere verbetering vertoont onder RCP-licht dan LCP-licht rond 635 nm. Voor F4 is er het grootste verbeteringsverschil rond 635 nm, en de verhouding van LCP tot RCP is 1,4. Deze verschijnselen zijn goed voor een opwindende CD-respons en bieden vooruitzichten voor moleculaire sensoren op substraat op verschillende posities.

Het elektromagnetische energie-focusserende effect in het Ag chirale deeltjesketen-filmsysteem. een , b De elektrische nabij-veldverdelingen in de x -j vlak in het midden van de opening tussen chirale deeltjesfilm bij verschillende resonantiepieken voor het systeem geëxciteerd door LCP (a ) en RCP (b ) licht, respectievelijk. Elk beeld komt overeen met de gemarkeerde resonantiepiek. c Verbeteringen van het elektrisch veld in de gaten F1, F2, F3 en F4, aangegeven in de rechter afbeeldingen (en in a ook) vertonen enorme verschillen bij resonantiepieken. De blauwe en rode ononderbroken lijnen vertegenwoordigen elektrische veldversterking voor LCP- en RCP-licht. De verticale stippellijnen van links naar rechts komen overeen met de pieken bij respectievelijk 590, 635, 710 en 785 nm

Om een ​​diep begrip te krijgen van het mechanisme achter de elektrische veldversterking van het chirale deeltjesketen-filmsysteem, onderzoeken we nu de modus van elke resonantiepiek vanuit een hybridisatieoogpunt. Volgens de reflectiespectra van het systeem zijn er vier resonantiepieken die respectievelijk zijn gemarkeerd als 1, 2, 3 en 4, zoals weergegeven in figuur 3 (de blauwe voor LCP en rode curve voor RCP). De verdelingen van de oppervlaktelading van het systeem onder LCP- of RCP-excitatie worden respectievelijk links en rechts weergegeven, met de hybride niveaus in het midden. De gekleurde pijlen geven de polarisatietoestanden van de verschillende straaldeeltjes aan, die overeenkomen met 20, 30, 40 en 50 nm, uitgezet met zwarte, rode, blauwe en gele kleuren. De film wordt weergegeven als de cyaanlijn onder pijlen; en de cyaan lijnen vertegenwoordigen ook de hybride niveaus. De geïnduceerde tegenovergestelde beelddipolen op de film worden weergegeven met een grijze kleur.

Schema van de hybridisatie van het chirale deeltjes-filmsysteem. De blauwe en rode vaste curven aan de linkerkant zijn de reflectiespectra voor het systeem dat respectievelijk wordt opgewekt door LCP en RCP. De verdelingen van de oppervlaktelading van de chirale deeltjesketen en de gouden film voor LCP- of RCP-licht worden links en rechts weergegeven. De gekleurde pijlen geven de polarisatietoestanden van de verschillende straaldeeltjes aan, die 20, 30, 40 en 50 nm zijn voor zwart, rood, blauw en geel. De horizontale stippellijnen van boven naar beneden vertegenwoordigen de energieniveaus van de pieken bij respectievelijk 590, 635, 710 en 785 nm

Voor het eerste niveau rond 785 nm is het een typische hybride grote dipoolmodus met geïnduceerde beeldvorming tegenover de dipool op de film. Voor de RCP-excitatie, vanwege het zwakkere moment voor het 50 nm-deeltje (gele dipool), verschuift het energieniveau blauw enkele nanometers (je moet heel goed kijken om het op te lossen) gerelateerd aan de LCP-excitatie. Volgens de hybridisatietheorie van deeltje en film [34] weet men dat voor een dergelijke geïnduceerde afbeeldingsladingskoppeling het systeem altijd een bindingsmodus is, zodat het altijd de energie verlaagt. Als de koppeling zwakker is, zal de energie hoger zijn (blauwverschuiving). Uit de gekoppelde grote dipool en de beeldvormende dipool kunnen we gemakkelijk zien dat voor de LCP-excitatie het sterkste elektrische veld zich onder het 50 nm-deeltje (gele dipool) zou moeten bevinden; en voor de RCP-excitatie moeten de sterkste punten F3 en F4 onder 40 nm (blauw) en 50 nm (geel) deeltjes liggen (50 nm is zelfs sterker). Voor het tweede niveau rond 710 nm, uit de verdelingen van de oppervlaktelading op de deeltjes, kunnen we zien dat voor de LCP-excitatie de kleinere twee deeltjes in dezelfde oriëntatie zijn (wat een antibindende modus is voor de twee deeltjes) [59] en zijn verticaal op het oppervlak; de grotere twee deeltjes bevinden zich in dezelfde richting met tegengestelde richting aan de kleinere twee. Maar voor RCP-excitatie bevindt de zwarte dipoolpolarisatie zich in de horizon, wat het energieniveau zal verlagen. Vanuit de dipoolrichtingen moet men bedenken dat voor LCP-excitatie de rode en blauwe dipool tegenovergesteld zijn, zodat ze elkaar kunnen versterken zodat F2 en F3 sterker zouden moeten zijn. Volgens Ref. [36], in dit geval zal het kleinere deeltje meer energie opsluiten, dus F2 is de sterkste opening. Voor RCP-excitatie annuleert de horizon één (zwarte pijl) F2 gedeeltelijk omdat de zwarte dipool en de rode dipool gedeeltelijk anti-bindend zijn, dus F3 is de sterkste. Het derde niveau is ongeveer 635 nm. Vergeleken met het tweede niveau klapt de blauwe dipool om en de sterke veldopbrengst van de zwarte, rode en blauwe dipolen trekt de gele dipool in een titelhoek. De omgedraaide blauwe dipool maakt ook het energieniveau hoger onder LCP-excitatie omdat deze modus wordt gehybridiseerd door de drie dipolen. Wanneer geëxciteerd met RCP, zijn de zwarte en blauwe dipolen horizon die de energie lager maken. Uit de oriëntaties van de dipolen kunnen we direct afleiden dat de opening F4 de sterkste is voor LCP omdat de blauwe pijl en gele pijl elkaar versterken en F2 de sterkste is voor RCP omdat de zwarte en blauwe pijlen de rode versterken. Voor het vierde niveau rond 590 nm maken de bijna dezelfde georiënteerde vier dipolen de energie het hoogst. Onder LCP-excitatie bevinden de eerste drie dipolen zich bijna in dezelfde richting en de gele is getiteld in een grote hoek, wat de energie verlaagt. Onder RCP-excitatie is de dipool met de titel de zwarte. Omdat het dipoolmoment zwakker is, is de totale energie hoger dan die van de LCP-uitvoering. Uit de dipoolconfiguratie kunnen we zien dat voor de LCP de sterkste opening F1 onder het kleinste deeltje zou moeten zijn, omdat het kleinste deeltje het sterkste focusvermogen heeft onder een dergelijke configuratie, omdat de grotere deeltjes het veld rond kleinere meer zullen versterken. Voor de RCP is de sterkste opening niet F1 of F2 omdat de zwarte dipool te klein is en bijna onder de opening van de rode dipool ligt. Dus het tegenovergestelde veld komt te veel in de opening van de rode dipool en heft het veld op. Voor de blauwe en gele moet de sterkste opening F3 zijn omdat het blauwe deeltje kleiner is. In totaal past de analyse in de hybridisatie heel goed bij het resultaat in Fig. 2.

In feite is de versterking van het elektrische veld tussen de deeltjes in het chirale deeltjesketen-filmsysteem ook erg sterk. De versterkingsspectra in openingen P1, P2 en P3 tussen deeltjes (inzet van figuur 4) worden getoond in figuur 4. We merken op dat de maximale veldpieken verschuiven naar lange golflengte wanneer de diameter van aangrenzende deeltjes toeneemt, die ongeveer 620 zijn. nm voor tussenruimte P1, 710 nm voor tussenruimte P2 en 785 nm voor tussenruimte P3, respectievelijk. De maximale elektrische veldverbeteringen zijn 120, 217 en 226. De trend is vergelijkbaar met RCP spannend. Het is interessant dat de verhogingspiekposities niet precies hetzelfde zijn voor LCP- en RCP-excitatie. Desalniettemin is het versterkingseffect tussen deeltjes-film sterker dan dat tussen deeltjes, vergeleken met de spectra voor het versterken van het elektrische veld getoond in Fig. 2c.

De elektrische veldversterking in de gaten P1, P2 en P3 (zoals aangegeven in de inzet) tussen verschillende zilverdeeltjes in de chirale deeltjesketen. De blauwe en rode ononderbroken lijnen vertegenwoordigen de spectra voor elektrische veldversterking voor respectievelijk LCP- en RCP-licht. De verticale stippellijnen van links naar rechts komen overeen met de pieken bij respectievelijk 590, 635, 710 en 785 nm

Superchiraal veld in chirale focussering

Het is heel duidelijk dat als er eenmaal film onder deeltjes is, er een focusserend effect is in de opening tussen de deeltjes en de film. En het focusseringseffect varieert onder LCP- en RCP-excitatie. Een van de grote problemen bij plasmon-versterkte chiraliteit is dat de structuur superchirale nabije velden kan opleveren, wat naar verwachting zal worden toegepast voor het detecteren of detecteren van chirale moleculen. Om de verbeterde chirale near-field-respons te onderzoeken, wordt de superchirale near-field-verbetering rond de systemen berekend. De optische chiraliteitsverbeteringsfactor, gedefinieerd als \( \widehat{C}=C/{C}_{CP} \) [46], waarbij C =  − ε ₀ /2ω Ik ben[E ^∗ ⋅ B ] wordt optische chiraliteit genoemd, zoals geïntroduceerd door Tang en Cohen [50], die kwantitatief kan worden gekarakteriseerd door de mate van chirale asymmetrie. Hier, ε ₀ is de permittiviteit van vrije ruimte, ω is de hoekfrequentie van het invallende licht, en E en B zijn de lokale elektrische en magnetische velden. \( {C}_{CP}=\pm {\varepsilon}_0\omega {E}_0^2/(2c) \) is de optische chiraliteit voor het LCP-licht (+) en RCP-licht (−) met elektrische veldamplitude E ₀ . Vanwege de sterke nabij-veldkoppeling kan de enorme veldverbetering in de openingen tussen de deeltjesfilm (zie figuur 2) duidelijk verbeterde lokale chirale velden in de overeenkomstige openingen genereren. De lokale chirale veldverdelingen bij de resonantiepiek met 635 nm worden getoond in Fig. 5. We kunnen zien dat er een sterke chiraliteitsverbetering is in de gaten F4 en F3 voor LCP. De verbeteringen komen echter voor in de hiaten F2 en F1 voor RCP. De bovenstaande resultaten komen overeen met figuur 2. De lokale chirale veldverdelingen voor andere resonantiepieken worden weergegeven in aanvullend bestand 1:figuur S2 (a) – (c). In Fig. 6a, b tonen we de optische chirale veldverbeteringsdistributie in x -j vlak in het midden van de opening tussen deeltjesfilm bij de vier resonantiepieken respectievelijk wanneer het systeem wordt geëxciteerd door LCP- en RCP-licht. De versterkingsposities komen overeen met respectievelijk de gebieden met gaten F1, F2, F3 en F4 met de klok mee. De sterkte van de verbetering in verschillende hiaten is verschillend in dezelfde resonantiemodus voor LCP- en RCP-licht. Onder dezelfde CPL-excitatie varieert ook het superchirale veld in de opening. We kunnen zien dat de chirale versterkingsfactor 90 keer kan bereiken op gunstige posities en resonantiegolflengte. De chirale optische verbetering is ook selectief voor LCP- en RCP-licht op de verschillende locaties van dezelfde opening. Bovendien zijn de chirale versterkingsgebieden beperkt tot een klein gebied in elke opening en veranderen ze snel. In de chirale verbeteringstoepassingen wordt het CD-signaal over het probevolume bepaald door de integratie van het lokale chirale veld. Het is dus noodzakelijk om de gemiddelde optische chiraliteit te onderzoeken. Hier nemen we een kleine cilinder met een straal van respectievelijk 4, 6, 8 en 10 nm onder het deeltje met een straal van 20, 30, 40 en 50 nm, en de hoogten snijden de film en de deeltjes. Elke cilinder kruist het corresponderende deeltje en de film. Het volume van het verschilgebied tussen de cilinder en elke deeltjesfilm is V . De straal wordt gekozen wanneer het elektrische veld vervalt tot 1/e van het maximum onder de deeltjes. De gemiddelde optische chiraliteitsverbeteringsfactor kan worden verkregen door C . te integreren /|C _CP | in het differentiële deel van de cilinder met het deeltje en de film en het gemiddelde van het volume nemend, dat is

Chirale near-field verbeteringsverdelingen in de openingen tussen deeltjes en tussen deeltjesfilm bij 635 nm resonantiepiek voor LCP- en RCP-excitatie. De diameters van vier zilveren nanobolletjes in chirale deeltjesketen-filmsysteem zijn respectievelijk gemarkeerd als 20, 30, 40 en 50 nm. De openingen tussen deeltjes met verschillende diameters en film zijn respectievelijk gelabeld als F1, F2, F3 en F4, en de openingen tussen deeltjes zijn respectievelijk gelabeld als P1, P2 en P3.

De optische chiraliteitsverhogende factoren van de chirale zilverdeeltjesketen op een gouden film. een Chirale near-field verbeteringsverdelingen in het midden van de opening tussen deeltjesfilm in x -j vlak bij verschillende resonantiepieken voor LCP-licht en b voor RCP-licht. c Volumegemiddelde optische chiraliteitsverbeteringsfactoren in de hiaten F1, F2, F3 en F4. De blauwe en rode ononderbroken lijnen komen respectievelijk overeen met LCP- en RCP-licht. De verticale stippellijnen van links naar rechts komen overeen met de pieken bij respectievelijk 590, 635, 710 en 785 nm

en de overeenkomstige volumegemiddelde chirale versterkingsspectra in gaten F1, F2, F3 en F4 zijn uitgezet in figuur 6c. Uit de spectra kunnen we zien dat zelfs als er een annulatie-effect is voor het tegenovergestelde chirale veld onder de deeltjes, de gemiddelde chirale veldverbetering nog steeds erg sterk is. Voor F1 bereikt de sterkste piek zelfs 50 keer. De chirale veldversterking op metaalfilm wordt zelden gerapporteerd. De gemiddelde chirale veldverbetering op metaalfilm in ons werk is met dezelfde volgorde als in ref. 51. En in verschillende hiaten kan het chirale veld onder LCP- en RCP-excitatie totaal tegengesteld zijn, zoals in hiaten F1 en F3. Met de eigenschappen kunnen we het gebruiken voor het detecteren van chirale moleculen. Wanneer bijvoorbeeld twee chirale moleculen met tegengestelde chiraliteit zich onder opening F1 bevinden, is de L men zal worden geëxciteerd onder LCP bij 590 nm en de R men zal opgewonden zijn onder RCP bij 635 nm. Als men alleen exciteert bij 600 nm, zullen LCP- en RCP-licht de L . volledig onderscheiden en R moleculen in opening F3.

Naast de sterke chirale verbetering van het nabije veld in de openingen tussen de deeltjesfilm, zijn er ook grote chirale reacties in de openingen tussen de deeltjes (Fig. 5 en Aanvullend bestand 1:Figuur S2 (a) – (c) vertonen de chirale near-field enhancement-distributies bij resonantiepieken in de gaten P1, P2 en P3). Om de chirale velden tussen deeltjes te bekijken, worden de gemiddelde optische chiraliteitsverbeteringsspectra ook berekend door Vgl. (1) in de gebieden van opening P1, P2 en P3, zoals getoond in Fig. 7. Het volume in de formule hier wordt verkregen met een vergelijkbare methode als de deeltjesfilmopening. Er wordt duidelijk waargenomen dat de chirale velden in de gaten P1, P2 en P3 altijd negatief zijn voor LCP in het brede golflengtebereik; voor RCP-licht is de chiraliteit van het veld tegengesteld in de gaten. Het significante verschil voor twee circulair gepolariseerde lichten is belangrijk voor de toepassing van chirale moleculaire verbetering.

Volumegemiddelde optische chiraliteitsverbeteringsfactoren in de gaten P1, P2 en P3. De blauwe en rode ononderbroken lijnen komen respectievelijk overeen met LCP en RCP lichtexcitatie. De verticale stippellijnen van links naar rechts komen overeen met de pieken bij respectievelijk 590, 635, 710 en 785 nm

Vergelijking met lineair gerangschikte deeltjes, grotere straal van rangschikking en ander deeltjesnummer

Het elektrische veldenergie-focusserende effect van de lineaire deeltjesketen op het gouden filmsysteem werd ook als vergelijking bestudeerd. The linear particle chain is also consisted of four Ag particles with different diameters, which are 20, 30, 40, and 50 nm as shown in Fig. 8. In contrast to chiral structures, linear particle chain has a stronger reflex response (Fig. 8a), the focus effect in the gaps between particles-film is more pronounced, and especially the linear system is probed by linear polarized light (Fig. 8b). In Fig. 9, the volume-averaged chiral enhancement spectra in the gaps between particles-film are plotted. The solid curves represent the enhancement spectra of the linear particle chain-film system, and the blue and pink solid lines correspond to LCP light and linear polarized (LP) light, respectively. The dotted lines represent the enhancement of chiral particle chain-film system as above discussed, and the blue and red dotted lines correspond to LCP and RCP light excitation, respectively. One can notice that there is stronger chiral field enhancement in some gaps at some resonant peak, e.g., in gap F1 the chiral field enhancement may reach values of 48 near the peak 640 nm. However, compared to chiral structure, it is clear that for circular polarized light the optical chirality of the linear structure is weaker in general, and for linear polarized light the linear structure do not exhibit CD response, so it is more advantageous that chiral structure is used in chiral molecular sensor than linear structure.

Comparison with linearly arranged particles by different polarized light. een Reflectance spectra of different silver particle-film system. The blue and pink solid lines represent the reflectance spectra of the linear silver particle chain-film system excited by left-hand circle light (marked as LCP(L)) and linear polarized light (marked as LP(L)), respectively. The structure of linear particle chain-film is shown in the inset. In the diagram, Arabic numerals 20, 30, 40, and 50 represent the radius of corresponding particles. b The electric field enhancement spectra in the gaps between particle-film in the chiral particle chain-film and the linear particle chain-film systems. The gaps between particle-film are respectively labeled as F1, F2, F3, and F4, which are indicated in the insets. The blue and pink solid lines represent the enhancement on the film in the linear chain structure excited by left-hand circle light (marked as LCP(L)) and linear polarized light (marked as LP(L)), respectively. The blue and red dotted lines are electric field enhancement for the chiral particle chain-film system probed by LCP and RCP light, respectively. The vertical dashed lines from left to right correspond to the peaks at 590, 635, 710, and 785 nm, respectively

Volume-averaged optical chirality enhancement factors in the gaps F1, F2, F3, and F4 indicated in the insets of Fig. 8. The blue and pink solid lines represent the volume-averaged chiral near-field enhancement spectra of the linear structure excited by left-hand circle light (marked as LCP (L)) and linear polarized light (marked as LP (L)), respectively. The blue and red dotted lines represent the volume-averaged chiral near-field enhancement spectra of the chiral silver particle chain-film for LCP and RCP light, respectively. The vertical dashed lines from left to right correspond to the peaks at 590, 635, 710, and 785 nm, respectively

To investigate the arrangement effect of the chirality of this structure on optical chirality, we changed the arranged circle radius (R ) in x -j plane (as shown by blue dotted circle in Fig. 1b) and simulated the optical properties of the chiral NP chain-film system with different R . From the absorption spectra and CD spectra, we can see that the resonant peaks are almost the same with the increase of R (Additional file 1:Figure S3); but the CD becomes weaker when R neemt toe. Because the chirality of structure becomes lower (symmetry becomes higher) with R increasing, the chiral responses for LCP and RCP are not so sensitive any more. Meantime, the volume-averaged chiral enhancement between NPs-film shows a trend of decrease as well (Additional file 1:Figure S4). However, R has less influence on the volume-averaged chiral enhancement between particles (Additional file 1:Figure S5).

In addition, the relation of chiral enhancement and particle number is also investigated (Additional file 1:Figure S6). Very similar with the above discussed system with four particles (which is labeled as 50-40-30-20), we took away the 20-nm particle to make the chiral chain having three particles (labeled as 50-40-30). The CD spectra of the two systems are obviously different. There are three CD response peaks in the 50-40-30 system. With the particle number reducing, the volume-averaged chiral enhancement in gap F2 is more affected than in gaps F3 and F4. However, the volume-averaged chiral enhancement between particles has small change.

The results presented above somehow give a way of enhancing chiral molecule optical activity signals other than direct enhancement by a dimer. However, to fabricate such system is a bit tricky. A rough way to make such system may be to directly drop a droplet particle sol with different size on the Au film substrate. Because there are plenty of particles, it is not very hard to find such curved shape with different size. But if someone want it more controllable and delicate, chemical synthesis is a possible way. The nanoparticle is not perfect round because of the crystalline structure. One can first put the particles with the uniform size in some functional molecule solution (like DNA with special functional group), in which the chemical molecules will only adsorb on specific facet. Perform similar steps on the particles with different size [11]. Mix the particles together and they will form a chain. Then, drop the solution on substrate and the tension of the solvent will curve the chain. Other possible way may be pulling method with mill curved slots substrate [60], magnetic self-assembly of particles with magnetic core particles [61], capillary effects [62], or optical force [63].

Conclusies

In conclusion, we have demonstrated an electromagnetic energy focusing effect and chiral near-field enhancement of the chiral chain consisted of four different diameter nanoparticles on gold film. When the chiral chain is excited by LCP and RCP light, obvious difference electric field enhancement gaps are observed at resonant peak. The hybridization analysis recovers the mechanism. This difference in electric field enhancement results in strong chiral near-field enhancement near the gap between particles and between particle-film, which induces strong chiral response and provide prospect for chiral near-field enhancement applications in chiral molecule detection.

Afkortingen

CD:

Circular dichroism

FEM:

Eindige elementen methode

LCP:

Left circularly polarized light

LH:

Left-handed

LP:

Linear polarized

LSPR:

Gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie

NP's:

Nanodeeltjes

RCP:

Right circularly polarized light

SERS:

Surface-enhanced Raman spectroscopy