Simulation of Localized Surface Plasmon Resonance of Silver Nanoparticles with Graphene Coating Utilizing Maxwell-Garnett Theory

Abstract

Поверхневий плазмонний резонанс (SPR) є важливою технікою для різних оптичних волоконних датчиків, біомедичних додатків, візуалізації та численних оптичних приладів. Поверхневі плазмони – це поперечні магнітно-поляризовані поверхневі хвилі, що утворюються внаслідок збудження поверхневих електронів на межі поділу металу та діелектрика. Збудження поверхневих плазмонів в наночастинках металів демонструє сильну смугу поглинання для UV-Vis області, якої немає в спектрі об'ємного шару металів. Такі плазмони називаються локалізованими поверхневими плазмонами (LSPs). LSPs – це колективні коливання вільної електронної хмари в наночастинках металів, які призводять до сильної смуги поглинання. Коли довжина хвилі падаючого світла стає резонансною з довжиною хвилі осцилюючих вільних електронів, явище називають локалізованим поверхневим плазмонним резонансом (LSPR). У роботі ми виконали моделювання за допомогою MATLAB, щоб отримати варіацію перетину екстинкції (що дає значення коефіцієнта поглинання) із довжиною хвилі падаючого світла для покритих графеном наночастинок срібла. Для того, щоб отримати ефективну діелектричну проникність запропонованої структури, аналітично використано теорію Максвелла-Гарнета.

Surface plasmon resonance (SPR) is an important technique for various optical fiber sensors, biomedical applications, imaging and numerous optical devices. Surface plasmons are the transverse magnetically polarized surface waves generated due to the excitation of surface electrons at the interface of metal and dielectric. The excitation of surface plasmons in metal nanoparticles exhibits a strong absorption band for UV-Visible region which is not present in the spectrum of bulk metal layer. These are called localized surface plasmons (LSPs). LSPs are the collective oscillations of free electron cloud in metal nanoparticles which result in a strong absorption band. When the wavelength of incident light becomes resonant to the wavelength of oscillating free electrons, the phenomenon is termed as localized surface plasmon resonance (LSPR). In the present theoretical work, we have performed simulations using MATLAB to get the extinction (which gives the value of absorption coefficient) cross-section variation with the incident light wavelength for graphene coated silver nanoparticles. In order to get the effective dielectric constant of the proposed structure, analytically, the Maxwell-Garnett (MG) theory has been used.