Optical Responses of Localized and Extended Modes in a Mesoporous Layer on Plasmonic Array to Isopropanol Vapor

J. Phys. Chem. C 2020, 124, 10, 5772–5779

Mesoporous silica features open and accessible pores that can intake substances from the outside. The combination of mesoporous silica with plasmonic nanostructures represents an interesting platform for an optical sensor based on the dependence of plasmonic modes on the refractive index of the medium in which metallic nanoparticles are embedded. However, so far only a limited number of plasmonic nanostructures are combined with mesoporous silica, including random dispersion of metallic nanoparticles and flat metallic thin films. In this study, we make a mesoporous silica layer on an aluminum nanocylinder array. Such plasmonic arrangements support both localized surface plasmon resonances (LSPRs) and extended modes which are the result of the hybridization of LSPRs and photonic modes extending into the mesoporous layer. We investigate in situ optical reflectance of this system under controlled pressure of isopropanol vapor. Upon exposure, the capillary condensation in the mesopores results in a gradual spectral shift of the reflectance. Our analysis demonstrates that such shifts depend largely on the nature of the modes; that is, the extended modes show larger shifts compared to localized ones. Our materials represent a useful platform for the field of environmental sensing./ メソポーラスシリカは、外部から物質を取り込むことができるオープンでアクセス可能な細孔を備えています。メソポーラスシリカとプラズモニックナノ構造の組み合わせは、プラズモニックモードが金属ナノ粒子が埋め込まれている媒質の屈折率に依存することに基づいた、光センサーの興味深いプラットフォームを表しています。ただし、これまでのところ、金属ナノ粒子や平坦な金属薄膜のランダム分散など、メソポーラスシリカと組み合わせられるプラズモニックナノ構造の数は限られています。この研究では、アルミニウムナノシリンダーアレイ上にメソポーラスシリカ層を作成します。そのようなプラズモン配置は、局在表面プラズモン共鳴（LSPR）と、メソポーラス層に広がるLSPRとフォトニックモードのハイブリダイゼーションの結果である拡張モードの両方をサポートします。イソプロパノール蒸気の制御された圧力下でこのシステムのその場光反射率を調査します。露出すると、メソポア内の毛細管凝縮により、反射率が徐々にスペクトルシフトします。私たちの分析は、そのようなシフトがモードの性質に大きく依存することを示しています。つまり、拡張モードは、ローカライズされたモードと比較して大きなシフトを示します。私たちの材料は、環境センシングの分野で有用なプラットフォームを表しています。