[论文解读] 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 13

一句话总结

本研究采用时间域含时密度泛函理论（TDDFT）研究了二维（2D）平面钠团簇中的等离激元激发。结果表明，2D体系表现出独特的集体激发模式，如角模式、边中模式、体中心模式和环形模式，这些模式与1D链结构不同，且对称性强烈影响模式劈裂与能级位移，清晰展示了从1D到2D金属纳米结构中等离激元行为的演化过程。

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.

研究动机与目标

• 研究等离激元激发模式如何从1D原子链演化为2D平面钠团簇。
• 理解结构对称性与维度在塑造低维金属体系中集体电子激发中的作用。
• 识别并表征1D体系中不存在的新型2D特有等离激元模式。
• 研究平面内与平面外冲量对光吸收谱中共振峰形成与性质的影响。
• 揭示由于2D团簇中对称性破缺导致的等离激元模式在定性和定量上的变化。

提出的方法

• 采用时间域含时密度泛函理论（TDDFT）模拟平面钠团簇中的电子激发。
• 施加平行于与垂直于2D平面的冲量扰动，以激发集体等离激元模式。
• 从偶极矩的时间演化计算光吸收谱，以识别共振峰。
• 在实空间网格上计算频率分辨的感应电荷密度，以可视化等离激元模式的空间分布。
• 比较不同尺寸（n×n，n最大为16）和形状（非对称与对称）的体系，以分离对称性效应。
• 分析聚焦于区分纵向、横向及面外模式，包括端部、中心、角、边中、体中心和环形模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 2D钠团簇中的等离激元激发模式与1D原子链中的模式有何不同？
• RQ2 在对称（n×n）平面团簇中，哪些新型2D特有等离激元模式出现，且其与团簇尺寸的关系如何？
• RQ3 2D平面中的结构对称性如何影响面内等离激元模式的简并与劈裂？
• RQ4 面外等离激元激发（Z模式）的性质是什么，其随团簇尺寸与对称性的演化规律如何？
• RQ5 维度如何影响金属团簇中从1D到2D等离激元行为的转变？

主要发现

• 对于长双链体系，等离激元模式与单链相似，表现出纵向、端部和中心横向模式。
• 在n最大为16的对称（n×n）2D平面中，面外激发下出现新型2D特有等离激元模式，包括角模式、边中模式、体中心模式和环形模式。
• 对于面内冲量，除端部模式外还出现极性相反的混合模式，表明2D几何结构导致复杂的电荷重分布。
• Z1模式在对称（16×16）团簇中演化为纯角模式，而Z2发展为占主导的体中心模式和边中模式。
• Z3演化为环形模式和弱中心模式，所有模式均表现出互补的空间电荷分布。
• 对称性变化导致Z模式能量显著蓝移，并引起模式图案的定性变化，尽管面外光吸收谱的整体形状保持相似。