纳米间隙光学天线中的单分子拉曼散射探测实验研究

This proposal is about the experimental study of nano-gap optical antennas for nano-optical focusing and detection of single molecule Raman scattering. Last year we have theoretically invented a new type of top-down fabricated optical-antenna plasmonic devices, each of which is composed of a vertical optical antenna with a 1nm gap and an anti-symmetric grating. We are going to experimentally fabricate and characterize these devices in this project. By high definition nanofabrication techniques and a specially designed optical measurement system which has adjustable beam optics, the laser beam can be concentrated in the nano gap of these devices and has its electric field intensity immensely enhanced (with theoretical enhancment up to 10^7). Meanwhile, radiation from these devices will be well directional. Due to the significant enhancement of light-matter interactions within the nano gaps, these devices will become powerful tools for a variety of areas in optics. As a characterization method and an important application, we will measure the Raman scattering enhancement factors in these devices (with theoretical enhancement factors up to 10^12), and explore the approach for well controlled and repeatable detection of Raman scattering at the single molecule level. The achievement of the latter goal would be a breakthrough in the surface enhanced Raman scattering research area.

本项目拟从实验上研究纳米间隙光学天线中的光场聚焦效应和单分子拉曼散射探测方法。去年我们从理论上提出了一类自顶向下制备的新型表面等离子体光学天线器件，即具有1nm左右间隙的、反中心对称光栅耦合的垂直光学天线。本项目拟从实验上实现和测量这类器件。通过精确的纳米加工工艺及光束可调的特制光学测量系统，此类器件将在把入射激光聚焦于纳米间隙的同时，把电场能量密度强烈地提高（理论预期达10^7倍），并且光学天线的辐射也将具有好的方向性。因其能够在纳米间隙内极大地提高光与物质的相互作用，此类器件的实现将为很多光学研究方向提供有力的工具。作为对纳米间隙光学天线的表征方法和一个重要应用，我们拟测量其拉曼散射增强因子（理论预期达10^12），及探索单分子级别拉曼散射的可控可重复探测的实现方法；后者如果实现，将是表面增强拉曼散射研究领域的重要突破。

单分子（级别的）拉曼散射探测是具有极高分辨力和灵敏度的材料检测手段，可以实现对几乎任何微量物质的化学分析；并且它可以提供关于分子动力学、原位分子结构等从一群分子的拉曼散射谱中所无法获得的信息，在推动材料、化学和生物领域的科学研究方面具有重要意义。同时，拉曼散射是一个非常弱的散射，为了实现单分子拉曼散射探测，需要高达10^11 的增强因子。如此高的增强因子之前只能从金属纳米颗粒团簇中随机获得，最强的hotspot的发生几率连0.01%都不到。如何可控可重复的获得极大增强是拉曼谱技术的应用进一步向前发展的重中之重。本项目研究了金纳米球-原子级平滑金面所形成的光学天线在径向偏振激光聚焦激发下的表面拉曼增强这一新的实验方法，并为之搭建了一套新的测量装置。有效的天线耦合、可控的1nm分子层界面与亚微瓦的激发功率使我们在3nm大小的hotspot里得到10^9-10电磁贡献的拉曼增强因子，同时对非共振拉曼小分子4NBT，20个天线的增强因子均方根差（按幂计算）小至10^0.08。在确定的hotspot里以如此高的重复性实现极大拉曼增强，可以说是一个出乎很多人意料的结果，这为系统地研究拉曼增强机理及通过拉曼谱技术研究纳米物理和化学体系开辟了新的道路。在此基础上，我们初步研究了几纳米hotspot里的非线性拉曼现象和小量分子的化学反应过程，观察到了与前人不同的效应。