新型金属微纳结构的光学特性及其在表面增强拉曼的应用研究

Surface enhanced Raman scattering (SERS) Substrates with high performances are crucial to detect trace amounts of molecules, which are also one of research focuses in nano optics at present. By experiments and simulation, this project aims to 1) investigate the physical mechanisms of the electromagnetic field enhancement of the metal nanoparticle/insulator nanoparticle/ metal film sandwitch structure, and improve the SERS performances of the substrates by optimizing the height of insulator nanoparticle and the gap size between the upper metal nanoparticle; 2) investigate the surface plasmon coupling in the the dense metal nanoparticles/ insulator film/ metal half-shell compound structure and the SERS performance of the substrate; 3) investigate how the coupling of surface plasmon and the diffracted wave in the SERS substrates which are made of deformable materials influence the SERS performance of the substrate. We will develop novel nanotechnologies to fabricate various metal nanostructures which can be used for SERS sensing. It is important to the fundamental research of surface plasmon, and shows strong potential application in the detections of biological, chemical, and medical molecules, and even single molecule detection.

性能优异的表面增强拉曼散射(Surface enhanced Raman scattering, SERS)衬底是实现痕量分子探测的重要工具，也是当前纳米光子学领域的研究热点之一。本项目拟采用实验与数值模拟相结合的方法，1）研究金属纳米颗粒/介质纳米颗粒/金属膜三明治结构的局域电场增强机制，通过优化介质纳米颗粒高度与上层金属纳米颗粒间隙，提升衬底的SERS性能；2）研究致密金属纳米颗粒/介质膜/金属半球壳复合结构中的表面等离激元耦合效应，研究该结构在SERS上应用；3）引入形变材料，制备新型SERS衬底，探索衬底形变对金属颗粒局域表面等离激元与衍射波耦合效应的调控，以及对结构SERS性能的影响。本项目的研究旨在发展金属微纳结构精确制备技术，促进单分子检测的SERS技术的发展，这不仅对于表面等离激元基础研究有着重要意义，在生物、医药和化学分子探测，甚至单分子探测与操控领域也具有极高的应用。

本项目围绕介质-金属纳米颗粒复合结构的局域表面等离激元共振特性、电磁场分布规律及其光学特性与拉曼特性这一主题开展研究工作。首先，改进Langmuir-Blodgett (L-B)技术，成功制备了高质量的裸(无表面分子修师)氧化硅纳米球的单层及多层结构；甚至密度高达5g/cm3的氧化铁纳米颗粒六角密堆阵列，为研究更多复合结构的光学性质提供了丰富的实验研究体系。其次，研究了基于纳米球刻印技术实现金属三明治结构的高吸收模式以及对局域电场分布的调控。通过模拟计算，研究了金三角MIM结构中，介质层对于结构共振模式的影响。通过优化，发现介质层厚50nm、周期为240nm的金三角MIM结构吸收是最佳的，在可见光范围内平均吸收超过90%；这种结构对于入射光的偏振与入射角并不敏感。这有利于结构对阳光的吸收。溶解部分介质后，形成伞骨状介质柱，从而释放原本被局域在介质空间中的增强电场，提高电场吸收效率。这为增强太阳光利用提供了新的途径。在实验方面，通过刻蚀技术，制备了大面积间距为5~10nm的金三角MIM结构，其拉曼信号比之前的工作高出一个数量级，拉曼增强因子达到3×10^8。对于R6G溶液的浓度探测极限高达1×10^-10M。其三，在实验上探索了可形变衬底上金属纳米结构结构阵列的制备工艺。以PDMS薄膜为基底，成功制备出富含5~10nm间距热点的可形变金属圆盘阵列与三角阵列。这一工艺上的重要进展为以后动态调控基底的SERS性能提供了坚实的实验基础。其四，在理论上研究了新型金属/石墨烯、介质/石墨烯微纳结构的光学特性。为紫外石墨烯拉曼基底的制备提供了新思路。最后，探索了镍纳米颗粒/碳化氮（CN/NNPs）复合结构在太阳光照射时，等离激元共振效应对产氢效率的影响。证明了NNPs的等离激元共振作用导致了电场和热效应的双重作用，使CN/NNPs的产氢速率与Pt纳米颗粒/C3N4复合结构相当。这个工作为等离共振诱导增强太阳光利用提供了新的策略。