journal article·2013-01-22

Coherent Multiphoton Photoelectron Emission from Single Au Nanorods: The Critical Role of Plasmonic Electric Near-Field Enhancement

Andrej Grubisic, Volker Schweikhard, Thomas A. Baker, David J. Nesbitt

ACS Nano· Volume 7· Issue 1
Publisher page

Abstract

Electron emission from individual Au nanorods deposited on indium-tin-oxide (ITO) following excitation with femtosecond laser pulses near the rod longitudinal plasmon resonance is studied via scanning photoionization microscopy. The measured electron signal is observed to strongly depend on the excitation laser polarization and wavelength. Correlated secondary electron microscopy (SEM) and dark-field microscopy (DFM) studies of the same nanorods unambiguously confirm that maximum electron emission results from (i) laser polarization aligned with the rod long axis and (ii) laser wavelength resonant with the localized surface plasmon resonance. The experimental results are in good agreement with quantitative predictions for a coherent multiphoton photoelectric effect, which is identified as the predominant electron emission mechanism for metal nanoparticles under employed excitation conditions. According to this mechanism, the multiphoton photoemission rate is increased by over 10 orders of magnitude in the vicinity of a localized surface plasmon resonance, due to enhancement of the incident electromagnetic field in the particle near-field. These findings identify multiphoton photoemission as an extremely sensitive metric of local electric fields (i.e., "hot spots") in plasmonic nanoparticles/structures that can potentially be exploited for direct quantitation of local electric field enhancement factors.
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Research context

OpenAlex topics: Gold and Silver Nanoparticles Synthesis and Applications · Plasmonic and Surface Plasmon Research · Spectroscopy and Quantum Chemical Studies

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

JILA, University of Colorado and National Institute of Standards and Technology, and Department of Chemistry and Biochemistry, University of Colorado, Boulder, Colorado 80309-0440, United States

References (98)

Show source-provided references
1. Mie G. · Ann. Phys., Berlin · 1908 · 25 · 37710.1002/andp.19083300302 ↗
2. El-Sayed M. A. · Acc. Chem. Res. · 2001 · 34 · 25710.1021/ar960016n ↗
3. Kelly K. L. · J. Phys. Chem. B · 2003 · 107 · 66810.1021/jp026731y ↗
4. Kreibig, U.; Vollmer, M.Optical Properties of Metal Clusters;Springer-Verlag:Heidelberg, Germany, 1995; Vol.25, p532.10.1007/978-3-662-09109-8 ↗
5. Sosa I. O. · J. Phys. Chem. B · 2003 · 107 · 626910.1021/jp0274076 ↗
6. Frens G. · Nature · 1973 · 241 · 20
7. Jin R. C. · Science · 2001 · 294 · 190110.1126/science.1066541 ↗
8. Nikoobakht B. · Chem. Mater. · 2003 · 15 · 195710.1021/cm020732l ↗
9. Oldenburg S. J. · Chem. Phys. Lett. · 1998 · 288 · 24310.1016/S0009-2614(98)00277-2 ↗
10. Sanchez-Iglesias A. · Adv. Mater. · 2006 · 18 · 252910.1002/adma.200600475 ↗
11. Sun Y. G. · Science · 2002 · 298 · 217610.1126/science.1077229 ↗
12. Turkevich J. · Discuss. Faraday Soc. · 1951 · 11 · 5510.1039/df9511100055 ↗
13. Atwater H. A. · Nat. Mater. · 2010 · 9 · 20510.1038/nmat2629 ↗
14. Pillai S. · J. Appl. Phys. · 2007 · 101 · 09310510.1063/1.2734885 ↗
15. Schaadt D. M. · Appl. Phys. Lett. · 2005 · 86 · 06310610.1063/1.1855423 ↗
16. Stuart H. R. · Appl. Phys. Lett. · 1996 · 69 · 232710.1063/1.117513 ↗
17. Barnes W. L. · Nature · 2003 · 424 · 82410.1038/nature01937 ↗
18. Ozbay E. · Science · 2006 · 311 · 18910.1126/science.1114849 ↗
19. Schuller J. A. · Nat. Mater. · 2010 · 9 · 19310.1038/nmat2630 ↗
20. Baffou G. · ACS Nano · 2010 · 4 · 70910.1021/nn901144d ↗
21. El-Sayed I. H. · Nano Lett. · 2005 · 5 · 82910.1021/nl050074e ↗
22. Rosi N. L. · Chem. Rev. · 2005 · 105 · 154710.1021/cr030067f ↗
23. Zijlstra P. · Nature · 2009 · 459 · 41010.1038/nature08053 ↗
24. Camden J. P. · J. Am. Chem. Soc. · 2008 · 130 · 1261610.1021/ja8051427 ↗
25. Stoerzinger K. A. · Chem. Sci. · 2011 · 2 · 143510.1039/c1sc00125f ↗
26. Willets K. A. · Annu. Rev. Phys. Chem. · 2007 · 58 · 26710.1146/annurev.physchem.58.032806.104607 ↗
27. Michaels A. M. · J. Am. Chem. Soc. · 1999 · 121 · 993210.1021/ja992128q ↗
28. Talley C. E. · Nano Lett. · 2005 · 5 · 156910.1021/nl050928v ↗
29. Nie S. M. · Science · 1997 · 275 · 110210.1126/science.275.5303.1102 ↗
30. Alivisatos P. · Nat. Biotechnol. · 2004 · 22 · 4710.1038/nbt927 ↗
31. Anker J. N. · Nat. Mater. · 2008 · 7 · 44210.1038/nmat2162 ↗
32. Aers G. C. · J. Phys. F Met. Phys. · 1983 · 13 · 174310.1088/0305-4608/13/8/017 ↗
33. Endriz J. G. · Phys. Rev. B · 1973 · 7 · 346410.1103/PhysRevB.7.3464 ↗
34. Endriz J. G. · Phys. Rev. Lett. · 1971 · 27 · 57010.1103/PhysRevLett.27.570 ↗
35. Muller U. · Phys. Rev. B · 1988 · 38 · 781410.1103/PhysRevB.38.7814 ↗
36. Levinson H. J. · Phys. Rev. B · 1981 · 24 · 62810.1103/PhysRevB.24.628 ↗
37. Barman S. R. · Surf. Sci. · 2004 · 566 · 53810.1016/j.susc.2004.06.059 ↗
38. Pfeiffer W. · Appl. Phys. A-Mater. Sci. Process. · 2004 · 78 · 101110.1007/s00339-003-2428-6 ↗
39. Monchicourt P. · J. Phys.-Condens. Matter · 1997 · 9 · 576510.1088/0953-8984/9/27/008 ↗
40. Evers F. · Surf. Sci. · 2005 · 593 · 4310.1016/j.susc.2005.06.045 ↗
41. Kennerknecht C. · Appl. Phys. B, Lasers Opt. · 2001 · 73 · 42510.1007/s003400100713 ↗
42. Lehmann J. · Phys. Rev. Lett. · 2000 · 85 · 292110.1103/PhysRevLett.85.2921 ↗
43. Gloskovskii A. · Phys. Rev. B · 2008 · 77 · 19542710.1103/PhysRevB.77.195427 ↗
44. Kubo A. · Nano Lett. · 2005 · 5 · 112310.1021/nl0506655 ↗
45. Bormann R. · Phys. Rev. Lett. · 2010 · 105 · 14760110.1103/PhysRevLett.105.147601 ↗
46. Kruger M. · Nature · 2011 · 475 · 7810.1038/nature10196 ↗
47. Polyushkin D. K. · Nano Lett. · 2011 · 11 · 471810.1021/nl202428g ↗
48. Kim S. · Nature · 2008 · 453 · 75710.1038/nature07012 ↗
49. Aeschlimann M. · Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. · 2010 · 107 · 532910.1073/pnas.0913556107 ↗
50. Aeschlimann M. · Science · 2011 · 333 · 172310.1126/science.1209206 ↗
51. Schweikhard V. · J. Phys. Chem. C · 2011 · 115 · 8310.1021/jp1075143 ↗
52. Schweikhard V. · ACS Nano · 2011 · 5 · 372410.1021/nn200082j ↗
53. Hrelescu C. · Nano Lett. · 2011 · 11 · 40210.1021/nl103007m ↗
54. Cinchetti M. · Phys. Rev. Lett. · 2005 · 95 · 04760110.1103/PhysRevLett.95.047601 ↗
55. Schertz F. · Nano Lett. · 2012 · 12 · 188510.1021/nl204277y ↗
56. Gloskovskii A. · Surf. Sci. · 2007 · 601 · 470610.1016/j.susc.2007.05.046 ↗
57. Wiemann C. · Surf. Sci. · 2007 · 601 · 471410.1016/j.susc.2007.05.040 ↗
58. Word R. C. · Appl. Phys. Lett. · 2010 · 96 · 25111010.1063/1.3457921 ↗
59. Douillard L. · Nano Lett. · 2008 · 8 · 93510.1021/nl080053v ↗
60. Meyer zu Heringdorf F. · Microsc. Microanal. · 2010 · 16 · 50210.1017/S1431927610057557 ↗
61. Petek H. · Prog. Surf. Sci. · 1998 · 56 · 23910.1016/S0079-6816(98)00002-1 ↗
62. Winkelmann A. · Phys. Rev. B · 2009 · 80 · 15512810.1103/PhysRevB.80.155128 ↗
63. Bovensiepen U. · Phys. Rev. B · 2009 · 79 · 04541510.1103/PhysRevB.79.045415 ↗
64. Bisio F. · Phys. Rev. Lett. · 2006 · 96 · 08760110.1103/PhysRevLett.96.087601 ↗
65. Ogawa S. · Phys. Rev. Lett. · 1997 · 78 · 133910.1103/PhysRevLett.78.1339 ↗
66. Gudde J. · Science · 2007 · 318 · 128710.1126/science.1146764 ↗
67. Kruger M. · J. Phys. B · 2012 · 45 · 07400610.1088/0953-4075/45/7/074006 ↗
68. Ross B. M. · Opt. Lett. · 2009 · 34 · 89610.1364/OL.34.000896 ↗
69. Messinger B. J. · Phys. Rev. B · 1981 · 24 · 64910.1103/PhysRevB.24.649 ↗
70. Grady N. K. · Chem. Phys. Lett. · 2004 · 399 · 16710.1016/j.cplett.2004.09.154 ↗
71. Zuloaga J. · Nano Lett. · 2011 · 11 · 128010.1021/nl1043242 ↗
72. Sonnichsen C. · Phys. Rev. Lett. · 2002 · 88 · 07740210.1103/PhysRevLett.88.077402 ↗
73. Link S. · J. Phys. Chem. B · 1999 · 103 · 307310.1021/jp990183f ↗
74. Yalunin S. V. · Phys. Rev. B · 2011 · 84 · 19542610.1103/PhysRevB.84.195426 ↗
75. Ekici O. · J. Phys. D · 2008 · 41 · 18550110.1088/0022-3727/41/18/185501 ↗
76. Link S. · Int. Rev. Phys. Chem. · 2000 · 19 · 40910.1080/01442350050034180 ↗
77. Petrova H. · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2006 · 8 · 81410.1039/B514644E ↗
78. Novo C. · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2006 · 8 · 354010.1039/b604856k ↗
79. Keldysh L. V. · Sov. Phys. JETP-USSR · 1965 · 20 · 1307
80. Anisimov S. I. · Usp. Fiziol. Nauk · 1977 · 122 · 18510.3367/UFNr.0122.197706a.0185 ↗
81. Bunkin F. V. · Sov. Phys. JETP-USSR · 1965 · 21 · 896
82. Gladun A. D. · Sov. Phys. Usp. · 1970 · 12 · 49010.1070/PU1970v012n04ABEH003904 ↗
83. Silin A. P. · Sov. Phys., Solid State · 1971 · 12 · 2886
84. Dushman S. · Rev. Mod. Phys. · 1930 · 2 · 038110.1103/RevModPhys.2.381 ↗
85. Herring C. · Rev. Mod. Phys. · 1949 · 21 · 18510.1103/RevModPhys.21.185 ↗
86. Richardson O. W. · 1921
87. Guo C. L. · Phys. Rev. Lett. · 2001 · 86 · 163810.1103/PhysRevLett.86.1638 ↗
88. Elsayed-Ali H. E. · Phys. Rev. Lett. · 1987 · 58 · 121210.1103/PhysRevLett.58.1212 ↗
89. Irvine S. E. · Phys. Rev. Lett. · 2004 · 93 · 18480110.1103/PhysRevLett.93.184801 ↗
90. Kupersztych J. · Phys. Rev. Lett. · 2001 · 86 · 518010.1103/PhysRevLett.86.5180 ↗
91. Raynaud M. · Phys. Rev. B · 2007 · 76 · 24140210.1103/PhysRevB.76.241402 ↗
92. Michaelson H. B. · J. Appl. Phys. · 1977 · 48 · 472910.1063/1.323539 ↗
93. Schlaf R. · J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. · 2001 · 120 · 14910.1016/S0368-2048(01)00310-3 ↗
94. Monti O. L. A. · J. Chem. Phys. · 2006 · 125 · 15470910.1063/1.2354478 ↗
95. Henry A. I. · J. Phys. Chem. C · 2011 · 115 · 929110.1021/jp2010309 ↗
96. Encina E. R. · J. Phys. Chem. C · 2007 · 111 · 1679610.1021/jp075880j ↗
97. Slaughter L. S. · J. Phys. Chem. C · 2010 · 114 · 493410.1021/jp101272w ↗
98. Johnson P. B. · Phys. Rev. B · 1972 · 6 · 437010.1103/PhysRevB.6.4370 ↗