竞争模式表面等离子体共振检测中金属纳米粒子增敏机理与调控方法研究

采用金属纳米粒子的竞争模式检测技术是近年来出现的用于实现超高灵敏度表面等离子体共振传感的重要途径，但缺乏对纳米粒子增敏的物理机理的合理解释和缺乏有效的调控和优化增敏效果的手段已经成为了制约该技术发展的瓶颈问题。本项目拟紧密结合竞争模式SPR检测的实际情况，通过系统地分析该模式下的微纳金属体系的物理构成，理论与实验相结合，对于这一复杂系统建立合理的、反映核心的物理效应的理论模型，从而对纳米粒子的灵敏度增强机理进行深入的分析，解释和分析影响增敏效果的主要因素与参数；提出一种通过调谐连续表面的SPR光场特性实现对纳米粒子的增敏效果改变的新方法，并探索以此方法获得对增敏效果的更有效、便捷的调控与优化，从而为实现具有实用前景的超高灵敏度竞争检测模式SPR传感方法提供关键的理论与技术基础。本研究可为用于新型SPR检测技术的发展提供关键途径，并为其它表面等离子体器件和应用研究提供技术积累。

面向作为实现提高传感灵敏度的重要途径之一的采用金属纳米粒子与结构的竞争模式表面等离子体共振检测技术，本课题围绕所涉及的复杂金属/介质体系的表面等离激元效应，从金属-介质体系结构中的表面等离激元效应的机理研究出发，从微纳金属-金属、金属-介质等混合结构的表面等离激元特性的理论研究、基于多层金属-介质结构的可调谐表面等离子体共振传感器的加工与实现、基于多层与可调谐表面等离子体共振传感器的高灵敏度检测方法与实验等几个方面开展了研究工作，建立了对于不同材料、不同形貌的微纳光子器件中的表面等离激元等光学效应的有效仿真方法与仿真平台，搭建了基于角度、强度等扫描方式的表面等离子体共振传感实验研究平台，实现了不同的多层金属/介质结构的表面等离子体共振传感芯片的设计、加工、测量与应用，为从软件仿真到器件加工及光学实验研究不同方面开展基于表面等离激元的光子器件研究奠定了良好基础，对研究内容进行了广泛、深入的理论与实验研究。.通过系统地分析具有不同形貌的微纳金属体系的物理构成下对表面等离激元模式的影响，提出了通过不同的脊型、沟槽等基底形貌增强表面等离子共振的场增强效应、在纳米结构与金属平面基底之间增加低介质缓冲层等结构利用表面等离激元模式与其他模式的耦合效应以及狭缝效应等在保持场增强效应的同时大大降低表面等离子共振的损耗、通过金属层上不同孔隙的结构的组合形成相互耦合构造不同波段的表面等离子共振效应等多种新结构新方法；.基于多层表面等离子体共振传感器件实现了较传统器件的传感灵敏度、器件稳定性等的提升，基于其可调谐性提出并首次实验验证了电压调控的高灵敏度检测方法，利用多层表面等离子体共振器件的多模式光学特性提出了抑制背景漂移影响的新方法。本项目探索并形成的多种介质/金属混合材料结构的新型表面等离激元结构与相应器件的仿真设计方法与模型、介质/金属混合材料结构传感器件的表征、应用的工艺与技术平台为今后的传感、集成器件研究能够提供有效的技术支撑。.本课题共发表期刊与会议论文25篇（其中Optics Express, Analytical Chemistry, Sens. Actuators B, IEEE Photon. Tech. Lett.等重要SCI期刊收录15篇，国际会议论文10篇），申报发明专利9项（其中国际PCT专利申请1项，获得专利授权6项）。毕业博士生4人，硕士生5人。