[論文レビュー] Plasmon excitations in planar sodium clusters

Baoji Wang, San-Huang Ke|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2012

Quantum Dots Synthesis And Properties参考文献 38被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、時間領域における時間に依存する密度汎関数理論（TDDFT）を用いて、二次元（2D）平面状ナトリウムクラスター内のプラズモン励起状態を調査した。2D系では、1D鎖とは異なり、コーナー、サイドセンタ−、バルクセンタ−、サイクルモードといった特徴的な集団モードが顕在され、対称性がモードの分裂やエネルギーシフトを強く支配しており、1Dから2Dへの金属ナノ構造におけるプラズモニック行動の明確な進化を示している。

ABSTRACT

The collective electronic excitation in planar sodium clusters is studied by time-dependent density functional theory calculations. The formation and development of the resonances in photoabsorption spectra are investigated in terms of the shape and size of the 2-dimensional (2-D) systems. The nature of these resonances is revealed by the frequency-resolved induced charge densities present on a real-space grid. For long double chains, the excitation is similar to that in long single atomic chains, showing longitudinal modes, end and central transverse modes. However, for 2-D planes consisting of ($n imes n$) atoms with $n$ up to 16, new 2-D characteristic modes emerge regardless of the symmetries considered. For a kick parallel to the plane, besides the equivalent end mode, mixed modes with contrary polarity occur, while for an impulse perpendicular to the plane there will be corner, side center, bulk center, and circuit modes. Our calculation reveals the importance of dimensionality for plasmon excitation and how it evolves from 1-D to 2-D.

研究の動機と目的

• 1次元原子鎖から2次元平面状ナトリウムクラスターへのプラズモン励起モードの進化を調査すること。
• 低次元金属系における集団的電子励起の形態を規定する構造的対称性および次元性の役割を理解すること。
• 1次元系に存在しない2次元特有のプラズモンモードを同定および特徴づけること。
• 平面内および平面外のインパルスが、光吸収スペクトルにおける共鳴の形成および性質に与える影響を検討すること。
• 2次元クラスターにおける対称性の破れが引き起こすプラズモンモードの定性的および定量的変化を明らかにすること。

提案手法

• 平面状ナトリウムクラスター内の電子励起をシミュレートするために、時間領域における時間に依存する密度汎関数理論（TDDFT）が用いられた。
• 集団的プラズモンモードを励起するために、2次元平面に平行および垂直なインパルス摂動が適用された。
• 共鳴ピークを特定するために、電気双極モーメントの時間発展から光吸収スペクトルが計算された。
• 実空間グリッド上での周波数分解された誘導電荷密度を計算し、プラズモンモードの空間的分布を可視化した。
• サイズ（n×n、nは最大16）と形状（非対称対称）を変化させた系を比較し、対称性の影響を分離した。
• 分析は、縦方向、横方向、および平面外モード（エンド、中央、コーナー、サイドセンタ−、バルクセンタ−、サイクルモードを含む）を区別することに焦点を当てた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元ナトリウムクラスターにおけるプラズモン励起モードは、1次元原子鎖とどのように異なるか？
• RQ2 対称的（n×n）平面クラスターにおいて、どのような2次元特有のプラズモンモードが出現し、それらはクラスターのサイズにどのように依存するか？
• RQ3 2次元平面における構造的対称性は、平面内プラズモンモードの degeneracy と分裂にどのように影響するか？
• RQ4 平面外プラズモン励起（Zモード）の性質は何か？ また、クラスターのサイズと対称性に伴いどのように進化するか？
• RQ5 次元性は、金属クラスターにおける1次元から2次元へのプラズモニック行動の遷移にどのように影響するか？

主な発見

• 長い二重鎖では、プラズモンモードは単一鎖のものと類似しており、縦方向、エンド、中央の横方向モードを示した。
• nが16までの対称的（n×n）2次元平面では、平面外励起条件下で、コーナー、サイドセンタ−、バルクセンタ−、サイクルモードといった2次元特有のプラズモンモードが出現した。
• 平面内インパルスでは、反対極性を有する混合モードがエンドモードとともに現れ、2次元幾何学的配置に起因する複雑な電荷再分配を示した。
• Z1モードは、対称的（16×16）クラスターにおいて純粋なコーナーモードに進化した。一方、Z2モードは支配的バルクセンタ−モードおよびサイドセンタ−モードに発展した。
• Z3モードはサイクルモードおよび弱い中央モードに進化し、すべてのモードが補完的な空間的電荷分布を示した。
• 対称性の変化により、Zモードエネルギーに顕著なブルーシフトとモードパターンの定性的変化が生じたが、垂直方向光吸収スペクトルの全体的形状は類似したままであった。