金属粒子聚合体的Fano共振精确调控和增强拉曼散射性能

The enhanced Raman scattering (ERS) of the molecules absorbed onto metal surfaces results from near-field electromagnetic field, so that the strategy to fabricate ultrasensitive and ultrastable substrate is to tune and strength electromagnetic field on metal surface. Herein, we proposed to fabricate gold, silver nanoparticle clusters by electron beam lithography, and implement the hybridization of the plasmons in the central nanoparticle and the ring-like nanoparticles. Fano resonance can be achieved by finely tuning particle number, nanoparticle size,interstitial gap and geometrical arrangement.By taking advantage of Fano resonance with peculiar feature in ultrasensitive refractive index sensing, we can tune the characteristic frequency of Fano resonance and evaluate the ERS performance. The ultimate target is to clarify the quantitative relation between ERS performance corresponding to near-field electromagnetic enhancement and Fano resonance corresponding to far field irradiation. Current investigation will not only push the applications of nanoparticle clusters with strong plasmonic coupling as superior ERS substrate characterized by high sensitivity and excellent stability, but also pave an alternative route for designing display panel with excellent contrast, and optoelectronic nanodevices with high signal-to-noise ratio as well.

分子的增强拉曼散射(ERS)与金属表面的近场场强密切相关，调节和提高近场场强是制备高活性与高稳定性ERS基底的核心。本项目拟采用电子束刻蚀制备金或银粒子聚合体，通过调节粒子数目、尺寸、间隙和对称性等参数来控制中心粒子与环绕粒子的表面等离激元共振模的杂化，并促进杂化后辐射共振模与非辐射共振模之间的近场干涉，从而实现Fano共振。再原位改变金属粒子聚合体所处液体介质的折射率来精确调节Fano共振峰位并伴随近场场强的变化，同时测量ERS性能。旨在揭示反映近场场强的ERS活性与反映远场场强的Fano共振峰位之间的定量关联，并评价通过Fano共振提高金属粒子表面的近场场强而带来的ERS增强效果。本项目研究将有利于促进强耦合粒子体系在高灵敏、高稳定分子探测方面的广泛应用，也为设计高对比度显示器件、高信噪比纳米光电器件提供一种新思路。

金属纳米粒子的几何参数是影响其电学性能、光学性能、催化性能的关键因素之一，其在新能源、成像技术、精密传感器等方面有非常广泛的应用前景。本项目主要就纳米粒子聚合体的间隙调控方法，近场耦合对增强拉曼光谱的贡献，以及提升催化性能等进行了细致的实验研究。取得结果如下：（1）发明了一种组装单层纳米颗粒的技术，在受限区域内控制液滴的动态接触角，可以在微米尺度下控制溶剂的挥发体积和对流体积，从而触发单层纳米粒子的自组装。并且从液体表面张力的基本原理出发，计算了实验参数与接触角的定量关系，澄清了受限区域内的组装机理。（2）通过原位测量纳米粒子聚合体的电学性能，在原子尺度上调节和监测间隙的变化。发现电学性能的变化可以用隧穿效应和渗流理论来描述。由于可以在亚纳米尺度下调控间隙，有望应用于加速度计、可穿戴设备，触摸显示屏，高精度柔性器件、高灵敏度传感器等。（3）研究了多孔金属壳层的增强拉曼光谱性能，发现催化性能提高80-120倍。其归因于表面等离激元的电场促进了分子极化。总之，项目进展良好并且取得一些有价值的研究成果和重要进展。成果的形式通过论文发表，专利，人才培养的形式得以体现。项目执行期间，发表SCI论文16篇，其中10篇属于中科院JCR期刊1区。已经授权1项专利。培养博士后2名，研究生6名，其中2名获博士学位，4名获硕士学位。其中4人获硕士国家奖学金，1人获博士国家奖学金。