In the new field of quantum plasmonics, plasmonic excitations of silver and gold nanoparticles are utilized to manipulate and control light–matter interactions at the nanoscale. While quantum plasmons can be described with atomistic detail using Time-Dependent Density Functional Theory (DFT), such studies are computationally challenging due to the size of the nanoparticles. An efficient alternative is to employ DFT without approximations only for the relatively fast ground state calculations and use tight-binding approximations in the demanding linear response calculations. In this work, we use this approach to investigate the nature of plasmonic excitations under the variation of the separation distance between two nanoparticles. We thereby provide complementary characterizations of these excitations in terms of Kohn–Sham single–orbital transitions, intrinsic localized molecular fragment orbitals, scaling of the electron–electron interactions, and probability of electron tunneling between monomers.

1.
D.
Xu
,
X.
Xiong
,
L.
Wu
,
X.-F.
Ren
,
C. E.
Png
,
G.-C.
Guo
,
Q.
Gong
, and
Y.-F.
Xiao
,
Adv. Opt. Photonics
10
,
703
(
2018
).
2.
E.
Altewischer
,
M. P.
van Exter
, and
J. P.
Woerdman
,
Nature
418
,
304
(
2002
).
3.
M. S.
Tame
,
K. R.
McEnery
,
Ş. K.
Özdemir
,
J.
Lee
,
S. A.
Maier
, and
M. S.
Kim
,
Nat. Phys.
9
,
329
(
2013
).
4.
C.
You
,
A. C.
Nellikka
,
I.
De Leon
, and
O. S.
Magaña-Loaiza
,
Nanophotonics
9
,
1243
(
2020
).
5.
P.
Törmä
and
W. L.
Barnes
,
Rep. Prog. Phys.
78
,
013901
(
2014
).
6.
D. G.
Baranov
,
M.
Wersäll
,
J.
Cuadra
,
T. J.
Antosiewicz
, and
T.
Shegai
,
ACS Photonics
5
,
24
(
2018
).
7.
T. P.
Rossi
,
T.
Shegai
,
P.
Erhart
, and
T. J.
Antosiewicz
,
Nat. Commun.
10
,
3336
(
2019
).
8.
D. G.
Lidzey
,
D. D. C.
Bradley
,
M. S.
Skolnick
,
T.
Virgili
,
S.
Walker
, and
D. M.
Whittaker
,
Nature
395
,
53
(
1998
).
9.
R.
Chikkaraddy
,
B.
de Nijs
,
F.
Benz
,
S. J.
Barrow
,
O. A.
Scherman
,
E.
Rosta
,
A.
Demetriadou
,
P.
Fox
,
O.
Hess
, and
J. J.
Baumberg
,
Nature
535
,
127
(
2016
).
10.
N. J.
Halas
,
S.
Lal
,
W.-S.
Chang
,
S.
Link
, and
P.
Nordlander
,
Chem. Rev.
111
,
3913
(
2011
).
11.
F.
Benz
,
M. K.
Schmidt
,
A.
Dreismann
,
R.
Chikkaraddy
,
Y.
Zhang
,
A.
Demetriadou
,
C.
Carnegie
,
H.
Ohadi
,
B.
de Nijs
,
R.
Esteban
,
J.
Aizpurua
, and
J. J.
Baumberg
,
Science
354
,
726
(
2016
).
12.
J. A.
Hutchison
,
T.
Schwartz
,
C.
Genet
,
E.
Devaux
, and
T. W.
Ebbesen
,
Angew. Chem., Int. Ed.
51
,
1592
(
2012
).
13.
F.
Herrera
and
F. C.
Spano
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
238301
(
2016
).
14.
K. H.
Kim
,
G.
Bahl
,
W.
Lee
,
J.
Liu
,
M.
Tomes
,
X.
Fan
, and
T.
Carmon
,
Light: Sci. Appl.
2
,
e110
(
2013
).
15.
J.
Schachenmayer
,
C.
Genes
,
E.
Tignone
, and
G.
Pupillo
,
Phys. Rev. Lett.
114
,
196403
(
2015
).
16.
D.
Sidler
,
M.
Ruggenthaler
,
H.
Appel
, and
A.
Rubio
,
J. Phys. Chem. Lett.
11
,
7525
(
2020
).
17.
W.
Zhu
,
R.
Esteban
,
A. G.
Borisov
,
J. J.
Baumberg
,
P.
Nordlander
,
H. J.
Lezec
,
J.
Aizpurua
, and
K. B.
Crozier
,
Nat. Commun.
7
,
11495
(
2016
).
18.
P.
Nordlander
,
C.
Oubre
,
E.
Prodan
,
K.
Li
, and
M. I.
Stockman
,
Nano Lett.
4
,
899
(
2004
).
19.
J. B.
Lassiter
,
J.
Aizpurua
,
L. I.
Hernandez
,
D. W.
Brandl
,
I.
Romero
,
S.
Lal
,
J. H.
Hafner
,
P.
Nordlander
, and
N. J.
Halas
,
Nano Lett.
8
,
1212
(
2008
).
20.
J.
Zuloaga
,
E.
Prodan
, and
P.
Nordlander
,
Nano Lett.
9
,
887
(
2009
).
21.
T. V.
Teperik
,
P.
Nordlander
,
J.
Aizpurua
, and
A. G.
Borisov
,
Opt. Express
21
,
27306
(
2013
).
22.
P.
Liu
,
D. V.
Chulhai
, and
L.
Jensen
,
J. Phys. Chem. C
123
,
13900
(
2019
).
23.
C.
Ciracì
,
R.
Hill
,
J.
Mock
,
Y.
Urzhumov
,
A.
Fernández-Domínguez
,
S.
Maier
,
J.
Pendry
,
A.
Chilkoti
, and
D.
Smith
,
Science
337
,
1072
(
2012
).
24.
J. M.
McMahon
,
S. K.
Gray
, and
G. C.
Schatz
,
Nano Lett.
10
,
3473
(
2010
).
25.
S.
Raza
,
N.
Stenger
,
S.
Kadkhodazadeh
,
S. V.
Fischer
,
N.
Kostesha
,
A.-P.
Jauho
,
A.
Burrows
,
M.
Wubs
, and
N. A.
Mortensen
,
Nanophotonics
2
,
131
(
2013
).
26.
N. A.
Mortensen
,
S.
Raza
,
M.
Wubs
,
T.
Søndergaard
, and
S. I.
Bozhevolnyi
,
Nat. Commun.
5
,
3809
(
2014
).
27.
R.
Esteban
,
A. G.
Borisov
,
P.
Nordlander
, and
J.
Aizpurua
,
Nat. Commun.
3
,
825
(
2012
).
28.
R.
Esteban
,
G.
Aguirregabiria
,
A. G.
Borisov
,
Y. M.
Wang
,
P.
Nordlander
,
G. W.
Bryant
, and
J.
Aizpurua
,
ACS Photonics
2
,
295
(
2015
).
29.
D. C.
Marinica
,
A. K.
Kazansky
,
P.
Nordlander
,
J.
Aizpurua
, and
A. G.
Borisov
,
Nano Lett.
12
,
1333
(
2012
).
30.
P.
Song
,
P.
Nordlander
, and
S.
Gao
,
J. Chem. Phys.
134
,
074701
(
2011
).
31.
J.-H.
Li
,
M.
Hayashi
, and
G.-Y.
Guo
,
Phys. Rev. B
88
,
155437
(
2013
).
32.
F.
Alkan
and
C. M.
Aikens
,
J. Phys. Chem. C
122
,
23639
(
2018
).
33.
J.
Vincenot
and
C. M.
Aikens
,
Advances in the Theory of Atomic and Molecular Systems
(
Springer
,
2009
), p.
253
.
34.
G.-T.
Bae
and
C. M.
Aikens
,
J. Phys. Chem. A
116
,
8260
(
2012
).
35.
R.
Rüger
,
E.
van Lenthe
,
T.
Heine
, and
L.
Visscher
,
J. Chem. Phys.
144
,
184103
(
2016
).
36.
N.
Asadi-Aghbolaghi
,
R.
Rüger
,
Z.
Jamshidi
, and
L.
Visscher
,
J. Phys. Chem. C
124
,
7946
(
2020
).
37.
N.
Asadi-Aghbolaghi
,
J.
Pototschnig
,
Z.
Jamshidi
, and
L.
Visscher
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
23
,
17929
(
2021
).
38.
S.
Bernadotte
,
F.
Evers
, and
C. R.
Jacob
,
J. Phys. Chem. C
117
,
1863
(
2013
).
39.
E. J.
Baerends
 et al, ADF2019, SCM, Theoretical Chemistry,
Vrije Universiteit
,
Amsterdam, The Netherlands
,
2019
, https://www.scm.com/.
40.
T. A.
Niehaus
,
S.
Suhai
,
F.
Della Sala
,
P.
Lugli
,
M.
Elstner
,
G.
Seifert
, and
T.
Frauenheim
,
Phys. Rev. B
63
,
085108
085116
(
2001
).
41.
C.
Bannwarth
and
S.
Grimme
,
Comput. Theor. Chem.
1040-1041
,
45
(
2014
).
42.
G.
Giannone
,
S.
Śmiga
,
S.
D’Agostino
,
E.
Fabiano
, and
F.
Della Sala
,
J. Phys. Chem. A
125
,
7246
(
2021
).
43.
G.
Giannone
and
F.
Della Sala
,
J. Chem. Phys.
153
,
084110
(
2020
).
44.
S.
D’Agostino
,
R.
Rinaldi
,
G.
Cuniberti
, and
F.
Della Sala
,
J. Phys. Chem. C
122
,
19756
(
2018
).
45.
R.
van Leeuwen
and
E. J.
Baerends
,
Phys. Rev. A
49
,
2421
(
1994
).
46.
E.
van Lenthe
,
J. G.
Snijders
, and
E. J.
Baerends
,
J. Chem. Phys.
105
,
6505
(
1996
).
47.
T.
Yanai
,
D. P.
Tew
, and
N. C.
Handy
,
Chem. Phys. Lett.
393
,
51
(
2004
).
48.
G.
Knizia
,
J. Chem. Theory Comput.
9
,
4834
(
2013
).
49.
B.
Senjean
,
S.
Sen
,
M.
Repisky
,
G.
Knizia
, and
L.
Visscher
,
J. Chem. Theory Comput.
17
,
1337
(
2021
).
50.
C. J. O.
Verzijl
, “
On conductance and interface effects in molecular devices
,” PhD Thesis, (
Delft University of Technology, The Netherlands
,
2012
).
51.
M.
Ghorbani-Asl
, “
Electronic transport through two-dimensional transition-metalchalcogenides
,” PhD Thesis, (
Jacobs University Bremen
,
2014
).
52.
R.
Li
,
J.
Zhang
,
S.
Hou
,
Z.
Qian
,
Z.
Shen
,
X.
Zhao
, and
Z.
Xue
,
Chem. Phys.
336
,
127
(
2007
).
53.
S. H.
Vosko
,
L.
Wilk
, and
M.
Nusair
,
Can. J. Phys.
58
,
1200
(
1980
).
54.
C. J. O.
Verzijl
and
J. M.
Thijssen
,
J. Phys. Chem. C
116
,
24393
(
2012
).
55.
C.
Li
,
I.
Pobelov
,
T.
Wandlowski
,
A.
Bagrets
,
A.
Arnold
, and
F.
Evers
,
J. Am. Chem. Soc.
130
,
318
(
2008
).
56.
R.
Schira
and
F.
Rabilloud
,
J. Phys. Chem. C
123
,
6205
(
2019
).
57.
J. M.
Fitzgerald
,
S.
Azadi
, and
V.
Giannini
,
Phys. Rev. B
95
,
235414
(
2017
).
58.
F.
Marchesin
,
P.
Koval
,
M.
Barbry
,
J.
Aizpurua
, and
D.
Sánchez-Portal
,
ACS Photonics
3
,
269
(
2016
).
59.
B.
Gerislioglu
and
A.
Ahmadivand
,
Research
2020
,
9468692
.
60.
E. B.
Guidez
and
C. M.
Aikens
,
Nanoscale
4
,
4190
(
2012
).
61.
G.
Piccini
,
R. W. A.
Havenith
,
R.
Broer
, and
M.
Stener
,
J. Phys. Chem. C
117
,
17196
(
2013
).
62.
J.
Šebera
,
T.
Sebechlebská
,
Š. N.
Lachmanová
,
J.
Gasior
,
P. M.
Garcia
,
G.
Meszaros
,
M.
Valášek
,
V.
Kolivoška
, and
M.
Hromadová
,
Electrochim. Acta
301
,
267
(
2019
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.