石墨烯纳米晶阵列的可控制备及其红外光谱增强机理研究

Graphene, as the functional material for infrared plasmons, has the potential to overcome the limits of noble metal plasmons in mid-infrared regime with high loss, lower possibility of compacted integration and adjustability, and hence enhance the sensitivity and selectivity of the existing infrared spectroscopy. In this project, large area graphene nanocrystal array is proposed to be synthesized by direct growth with plasma enhanced chemical vapor deposition and fast patterning using block copolymer self-assembly lithography. The key factors for synthesis and the relationship between the nanocrystal array structures and graphene mid-infrared plasmonic properties are to be explored. The contributions to enhancement factor and selectivity of the infrared spectroscopy are about to be investigated systematically to reveal the mechanism of plasmonic enhanced infrared spectroscopy based on graphene nanocrystal array, including localized field enhancement, chemical interactions between molecules and graphene nanocrystal, loss of graphene mid-infrared plasmons and the selective enhancement of the molecule vibrational absorption. The success of this project will provide theoretical and experimental basis for exploring base materials for enhanced infrared spectroscopy with low cost, reliable stability, high enhancement factor, ultra-thin and flexible properties, and also be significant for the further development of the two-dimensional nanomaterials in infrared spectroscopy studies.

以石墨烯作为红外表面等离子体基底材料能够突破贵金属体系表面等离子体增强红外光谱在中红外波段的损耗、高密度集成及调谐性方面的限制，提升当前红外光谱技术检测的灵敏度与选择性。本项目提出采用等离子体增强化学气相沉积和嵌段共聚物自组装快速成型技术制备大面积、结构可控的石墨烯纳米晶阵列，研究生长、制备的机理与要素以及纳米晶结构与石墨烯中红外表面等离子体性能的关联；研究局域电场增强、表面吸附分子与石墨烯纳米晶化学相互作用、石墨烯中红外表面等离子体衰耗特性及分子振动吸收选择性增强等因素对红外增强光谱增强因子和选择性的贡献，揭示石墨烯表面等离子体增强红外光谱的机制。本项目的顺利实施对开发低成本、稳定、增强因子高的柔性超薄红外光谱增强基底材料以及开拓二维纳米材料在红外光谱学的应用发展具有重要的理论和实践指导意义。

以石墨烯作为红外表面等离子体基底材料能够突破贵金属体系表面等离子体增强红外光谱在中红外波段的损耗、高密度集成及调谐性方面的限制，提升当前红外光谱技术检测的灵敏度与选择性。本项目研究采用等离子体辅助增强化学气相沉积和嵌段共聚物自组装成型技术，制备了尺寸10 nm-50 nm可调石墨烯纳米晶阵列，掌握了高效、可控制备的关键技术。石墨烯纳米晶阵列的表面等离子体共振波长可以通过调节载流子浓度和特征尺寸进行控制，圆盘结构的偶极共振可以在边缘处提供有效的电场增强。进而，通过与金纳米粒子复合、设计构筑石墨烯-金属超表面复合结构，有效拓展红外增强光谱的频段覆盖和提升增强因子。此外，明晰了局域表面等离激元、传播表面等离激元以及瑞利反常等不同模式的损耗、电场增强与动态调频机制。在此基础上，利用所制备获得石墨烯纳米晶阵列红外光谱增强基底材料成功完成对超薄单分子薄膜、超低浓度（至pmol）单链DNA样品的高灵敏检测，红外光谱信噪比提升超过10倍；同时通过表面修饰完成了对重金属离子的实时捕获及灵敏检测，且表现出优异的选择性。除了红外光谱传感外，我们通过理论研究证明，石墨烯-超表面复合结构在可编程超表面以及空间光调制等方面也有广阔的应用空间。本项目的顺利完成对开发低成本、稳定、增强因子高的柔性超薄红外光谱增强基底材料以及开拓二维纳米材料在红外光谱学的应用发展具有重要的理论和实践指导意义。项目实施中，项目负责人作为通讯作者在Advanced Science、Advanced Functional Materials等期刊发表相关SCI论文18篇，其中IF>10论文4篇；申请专利11项。参加国际、国内学术会议并做邀请报告20余次，作为大会副主席召集组织国际会议1次。培养博士研究生2名、硕士6名，其中1名获安徽省优秀博士毕业生、中国科学技术大学优秀博士毕业生。基于此，项目负责人相继入选“苏州市紧缺高层次人才”、江苏省“333工程”第三层次培养对象，被评为中国电子学会优秀科技工作者，获得国家优秀青年科学基金项目资助。