金属纳米球-纳米圆盘结构中表面等离激元共振模式的电磁场增强研究

表面等离激元自诞生以来已有一百多年的历史,并逐渐形成了一门新的学科——表面等离激元光子学。位于金属纳米结构中的局域表面等离激元可产生非常显著的近表面电场增强,并成功应用于诸多研究领域当中,而对局域表面等离激元与外界入射光中磁场的相互作用的研究则相对较少。该研究在前期已有的研究基础之上模拟计算了金属纳米球-纳米圆盘结构间隙处的近表面电、磁场增强,研究结果表明该结构在单束紧聚焦径向偏振光束的激发下,金属纳米圆盘产生局域表面等离激元呼吸模式和上下表面处的电偶极矩模式,该模式使圆盘中心纵向表面电场得到增强。由于金属纳米圆盘与金属纳米球的局域表面等离激元电偶极矩的耦合共振相互作用,可以形成纵向电场得到有效增强的局域表面等离激元共振间隙模式。通过数值模拟计算研究,证明该金属纳米结构间隙模式的纵向电场分量相对于径向偏振入射光的有效激发横向电场分量即近表面电场的增强因子高达250倍;而近表面磁场的增强因子高达170倍。为了更清晰地展现出这种新型金属纳米结构的光谱特性以及近表面电、磁场分布特征,还展示出了该金属纳米结构的近表面电场增强分布、近表面磁场振幅分布以及近表面电、磁场共振波长的对比分析,计算结果表明所提出的金属纳米球-纳米圆盘结构具有明显的局域近表面电、磁场增强优势以及较宽的频谱波段。由于本文提出的金属纳米结构具有电、磁场增强优势,希望计算结果能应用到更多的研究领域当中,尤其是生物医学等领域,为人们抗击疫情提供一点点参考和帮助。     

金属纳米间隙中SPR增强光电化学反应

研究属电极表面与金属纳米粒子构成纳米间隙的光物理和光化学特征。首先,当可见光激发等离激元共振(SPR)效应,分析了电极电位与纳米间隙结构的光吸收和光发射过程耦合作用。然后,我们考虑当分子存在纳米间隙的情况下,SPR对分子拉曼光谱信号的增强效应。最后,我们也考虑了激发SPR弛豫以及其与分子化学反应的关系。在上述的理论计算中,我们将界面电场和光电场耦合,考虑了纳米间隙结构中嵌入分子的光电化学反应。     

表面增强光学力与光操纵研究进展

金属纳米结构在光激发下产生的表面等离激元,可导致亚波长光场局域、近场增强等效应,在表面增强光谱、超灵敏传感、微流控芯片、光学力等方面有重要的应用.对于光学力而言,首先,由于表面等离激元共振及其导致的电场增强对于入射波长、几何结构等具有较强的依赖性,而光学力又与电场分布密切相关,所以可利用光镊(会聚光束)来操纵或筛选金属纳米颗粒;其次,入射光激发金属纳米颗粒聚集体后,在间隙形成的较大的近场增强和梯度,也可看作一种"等离激元镊",用于操纵其他颗粒;最后,当入射光的偏振改变甚至为新型光束的情况下,光学操纵将具有更高的自由度.本文首先简要介绍了表面等离激元增强光学力的计算;之后围绕光镊作用于等离激元金属纳米颗粒,等离激元镊作用于其他颗粒,与偏振、新型光场或手性结构相关的等离激元光学力这三个方面,综述了近年来表面等离激元金属纳米颗粒光学力和光操纵的一些新进展;最后提出了表面增强光学力与光操纵的若干研究趋势.     

金纳米双球系统的高灵敏光学传感与其消光系数及局域场增强之关联

系统地研究了最基本的单/双金纳米球系统的共振峰移动、局域场增强和消光谱等光学响应行为.发现在双金纳米球系统中,入射光除了能激发每个金纳米球的局域表面等离激元共振模式外,调整金纳米球间隙可使共振模式间产生强烈耦合,使系统局域场增强因子进一步提升,并增强光学传感能力和消光系数.有趣的是,受限于有限的局域场增强体积,具有高局域场增强因子的间隙为2 nm的双金纳米球系统的消光系数大幅降低,其消光系数和光学传感能力均低于5 nm间隙的系统.研究表明,双金纳米球系统的光学传感灵敏度不是由局域场增强幅度直接决定的,而与系统消光系数有相似的变化行为.这些结果可指导金纳米双颗粒和多颗粒系统的设计,为表面拉曼散射增强和光学传感等方面的应用提供创新性思路和方案.     

截面形状对快电子激发纳米双线表面等离激元的影响

采用边界元方法研究了快电子在金属纳米双线中激发间隙表面等离激元(SPP)的性质,比较了在不同横截面形状(包括圆形、尖劈形和不规则形状)下电子所激发SPP的不同.研究表明:在以上波导结构中,快电子都能激发具有较长传播距离和较好局域性的低阶单级-单级耦合的间隙等离激元模式;同时通过对波导无量纲价值参数的比较,发现快电子在纳米双线中激发间隙等离激元对双线波导的横截面形状要求不高,横截面形状真正影响的是高阶等离激元模式的激发,而且快电子在截面形状为尖劈的双线波导中能激发局域性更强的间隙SPP.该研究将对实验中利用 关键词： 表面等离激元 间隙模式 金属纳米波导     

基于Ag纳米棒阵列的表面等离激元微型偏振器

采用静电近似理论计算了Ag纳米棒阵列在不同偏振光入射下的消光光谱。当入射光偏振方向平行于纳米棒长轴时会激发表面等离激元纵向振动模式,而当入射光偏振方向垂直于纳米棒长轴时会激发表面等离激元横向振动模式。基于两种模式共振波长的不同,采用Ag纳米棒阵列可以用来设计高性能的表面等离激元微型偏振器。Ag纳米棒阵列的偏振性能在纵向共振波长明显优于在横向共振波长,通过调节纳米棒的纵横比可以对纵向模式的共振峰位进行大范围调控。结果表明这种微型偏振器所适用的波长能够通过纳米棒的纵横比在可见到近红外波段范围内调控,而消光比和插入损耗能够通过纳米棒的直径和长度实现调控。     

分子激发中的表面等离激元增强效应

金属纳米粒子的表面等离激元增强效应是纳米科学领域的一个研究热点.针对染料分子与金属纳米粒子的耦合系统,应用偶极-偶极近似计算分子与金属纳米粒子的库仑相互作用,并应用密度矩阵理论描述在不同极化方向的电场作用下的电荷输运过程,分析了分子与金属纳米粒子在不同相对位置下分子激发态的动力学过程,发现表面等离激元的增强效应与分子和金属钠米粒子的相对位置以及等离激元的耗散系数有密切关系,详细讨论了分子与金属纳米粒子间的耦合强度、外场的极化方向、等离激元的寿命及共振激发条件对分子激发态及表面等离激元增强的影响,分析了分子-金属纳米粒子耦合系统中表面等离激元增强效应的物理本质.     

金属-介质-金属纳米天线阵列的模式特性及荧光发射调控

设计一种支持多模式的金属-介质-金属纳米天线阵列结构,分析结构中的模式特性及其调控的发光过程。利用时域有限差分的方法模拟该结构的透射谱和电场分布,分析结构中局域表面等离激元模式和磁等离激元共振模式的特性以及激发光偏振调控的模式变化。将偶极子光源放在介质层中,模拟该天线阵列结构调控荧光分子的发光过程。结果表明:荧光分子的辐射和非辐射衰减速率增强因子、量子效率以及偏振特性受到了所提结构模式的有效调控;在一定波长范围内改变激发光的偏振方向可以对发光谱进行调谐。     

金纳米球壳对的局域表面等离激元共振特性分析

应用有限元方法, 研究金纳米球壳对的几何结构参数及物理参量对其表面等离激元共振的散射及消光光谱的影响, 并根据等离激元杂化理论进行了理论分析. 结果表明, 随着金壳厚度的增加, 金纳米球壳对的散射及消光共振峰先发生蓝移而后红移, 而随着金纳米球壳间隙的减小, 或者随着金纳米球壳的内核尺寸或内核介质折射率的增大, 散射及消光共振峰均发生红移; 随着金壳厚度或内核尺寸减小, 或者随着内核介质折射率增大, 金纳米球壳对的散射与消光共振强度减弱, 而随着金壳间隙的减小, 金纳米球壳对的散射共振强度先增强后减弱, 而消光共振强度逐渐增强, 数值模拟与理论分析一致.     

阴极荧光在表面等离激元研究领域的应用

表面等离激元以其独特的光学性质广泛应用于纳米尺度的局域电磁场增强、超高分辨成像及微弱光电探测.阴极荧光是电子与物质相互作用而产生的光学响应,利用电子束激发金属纳米结构能够实现局域等离激元共振,并在亚波长尺度实现对共振模式的调控,具有超高空间分辨的成像特点.阴极荧光探测通常结合扫描电子显微镜或透射电子显微镜而实现,目前己被应用于表面等离激元的探测及共振模式的分析.本文从阴极荧光物理机理出发,综述了单一金属纳米结构和金属耦合结构的等离激元共振模式阴极荧光研究进展,并总结了阴极荧光与角分辨、时间分辨以及电子能量损失谱等关键技术相结合的应用,进一步分析了其面临的关键问题,最后展望了阴极荧光等离激元研究方向.     

应用平行隔板增强纳米球表面电场

球形纳米粒子已经被广泛地应用于表面增强拉曼散射.为进一步提高纳米球表面电场,从而提高表面增强拉曼散射信号强度,本文设计了平行隔板纳米球结构.离散偶极子近似计算结果表明,应用平行隔板后,纳米球表面电场得到了大幅度增强,故平行隔板纳米球结构更适合作为表面增强拉曼散射衬底,用于生物分子探测.另外,本文还系统地研究了平行隔板结构参数对整个平行隔板纳米球结构光学性质的影响. 关键词： 银纳米球 平行隔板 表面等离子体 离散偶极子近似     

Exploring the origin of tip‐enhanced Raman scattering; preparation of efficient TERS probes with high yield

Tip‐enhanced Raman scattering (TERS) spectroscopy is a promising technique for nanoscale chemical analysis. However, there are several challenges preventing widespread application of this technology, including reproducible fabrication of efficient TERS probes. These problems reflect a lack of clear understanding of the origins of, and the parameters influencing TERS. It is believed that the coating characteristics at the apex of the tip have a major effect on the near‐field optical enhancement and thus the TERS activity of a metalized probe. Here we show that the aspect ratio of the tip can play a significant role in the efficiency of TERS probes. We argue that the electrostatic field arising from the lightning‐rod effect has a substantial role in the observed TERS effect. This argument is supported by ‘edge‐enhanced Raman scattering’ which is shown for a noble metal film. Furthermore, it is reported that an associated tip‐surface‐enhanced Raman scattering effect can be achieved by using a TERS‐inactive metalized probe on a surface‐enhanced Raman spectroscopy‐inactive roughened surface. This observation can be explained by an interparticle enhancement of the electromagnetic field. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

A facile high‐performance SERS substrate based on broadband near‐perfect optical absorption

Plasmonic systems based on metal nanoparticles on a metal film with high optical absorption have generated great interests for surface‐enhanced Raman scattering (SERS). In this study, we prepare a broadband‐visible light absorber consisting Au nanotriangles on the surface of a continuous optically opaque gold film separated with a dielectric SiO₂ layer, which is a typical metal‐insulator‐metal (MIM) system, and demonstrate it as an efficient SERS substrate. The MIM nanostructure, prepared using nanosphere lithography with a very large area, shows a broadband with absorption exceeding 90% in the wavelength regime of 630–920 nm. We observe an average SERS enhancement factor (EF) as large as 4.9 × 10⁶ with a 22‐fold increase compared to a single layer of Au nanotriangles directly on a quartz substrate. A maximum SERS EF can be achieved by optimizing the thicknesses of the dielectric layer to control the optical absorption. Owing to the simple, productive, and inexpensive fabrication technique, our MIM nanostructure could be a potential candidate for SERS applications. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

内嵌圆饼空心方形银纳米结构的光学性质

采用离散偶极子近似方法计算了内嵌圆饼空心方形银纳米结构的消光光谱以及其近场的电场强度分布,并进一步与空心方形纳米结构的消光光谱和表面电场做比较.结果表明,在耦合作用下内嵌圆饼空心方形银纳米结构不仅产生了新的共振模式,而且新的共振模式在传统表面增强拉曼散射的激发波长范围内,进而可以弥补由于实验上运用纳米切片法所制备的空心方形纳米结构尺寸较大导致其共振吸收峰在远红外波长范围的不足.此外,可以通过改变内嵌圆饼空心方形银纳米结构的形貌参数调节其表面等离子体共振峰的共振波长,以满足在表面增强拉曼散射、生物分子或化学分子探测上的应用.     

Gap surface plasmon polaritons enhanced by a plasmonic lens

We numerically investigate the optical field enhancement based on gap surface plasmon polaritons (GSPPs) that are enhanced by propagating surface waves launched by a circular slit at a metal-dielectric interface. The optical field enhancement originates not only from multiple scattering and coupling of GSPPs in the spacer region between two metal layers but also from propagating surface plasmon polaritons (SPPs) launched by a circular plasmonic lens. We find that the combination of the GSPPs and the propagating SPPs launched by the plasmonic lens can achieve extremely strong field confinement, and we find that the surface-enhanced Raman scattering (SERS) enhancement factor can be up to 10(15) at the tip of the equilateral triangular nanostructures. The structure proposed here is expected to find promising applications where strong field enhancement is desired, such as optical sensing with the SERS effect.     

SERS activity of Au nanoparticle films

The core-shell gold nanoparticle film is fabricated by using nanolithography and self-assembly monolayer technology. The film exhibits unique optical properties and has strong surface enhanced Raman scattering （SERS） activity. The relationship between nanostructure and surface electrical field is studied by employing pyridine as the SERS probe. It is found that particle size and inter-particle space are important factors. The enhancement ratio is measured to be more than 10^4.     

Adsorption and catalysis of flavonoid quercetin on different plasmonic metal nanoparticles monitored by SERS

Raman and surface‐enhanced Raman scattering spectroscopy were used to follow the chemical modification of quercetin (QUC) on silver nanoparticles. Different metallic systems were fabricated to check the influence of the interface, in terms of electric charge or total available surface, on the catalytic change undergone by QUC. The effect of QUC surface coverage was crucial to reveal information about the different orientation and the interaction mechanism with the metal at different concentrations of this flavonoid. Surface‐enhanced Raman scattering spectra of good quality of QUC were observed at concentrations down to 10^–8 M. Chemical modifications in the presence of nanostructure metal surfaces include oxidation followed by a subsequent polymerization via a condensation of rings whereas different chemical species have been recognized under different experimental conditions. The assignment of the new species formed on the metal surface was conducted. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于气相沉积等离激元纳米粒子/三维石墨烯-镍泡沫复合结构的高灵敏度表面增强拉曼检测

本文提出一种基于气相沉积银纳米粒子和三维石墨烯-镍泡沫的复合等离激元结构.该结构是利用气相纳米团簇束流技术将高密度的银纳米粒子直接沉积于三维石墨烯-镍泡沫的表面制备而成.与传统银纳米结构相比,复合三维等离激元纳米结构具有"热点"数量多,局域场更强的特点,可作为基于表面增强拉曼技术的高灵敏度化学传感器.拉曼测试实验结果表明,该三维纳米结构在表面增强拉曼检测中可获得灵敏度高,重复性好的探针拉曼信号.通过进一步的理论模拟,发现该三维等离激元结构中增强的拉曼信号主要归因于纳米粒子与纳米粒子之间以及纳米粒子与石墨烯-镍泡沫衬底之间的多重近场耦合效应.