贵金属纳米结构表面等离激元的非线性非弹性电子散射谱学研究

Surface plasmon (SP) has been the central focuses of nanophotonics, therefore it is of great importance to investigate its properties. However, this is a very hard task due to the ultra-short damping time of SP. On the other hand, the electron energy loss spectroscopy (EELS) is a powerful tool which is based on the inelastic electron scattering process, but the inelastic electron scattering probability is known to be very small and it thus possesses a huge technical challenge for high resolution measurements. In our recent study, we have observed that with the help of the electron induced SP excitations of the Ag nanostructures, a nonlinear inelastic electron scattering (NIES) process has occurred. The intensity of the inelastic electron can be significantly enhanced, up to 60% of the intensity of the elastic electron, which has resolved the problem associated with the weak signal detection associated with the conventional technique. Meanwhile, theoretical analysis reveals that the inelastic scattered electron in NIES process should carry the information of the SP oscillation of the sample, which provides a way to study the SP properties of nanostructures. In this project, we plan to carry out NIES experiments on the nanostructures of noble metals, in order to explore the manipulation methods of NIES process, as well as to investigate the SP properties of the nanostructures of noble metals. Based on these experiments, a more sophisticated theoretical explanation is expected to be developed, and a new spatially resolved electron spectroscopy technique combined with localized SP will be suggested.

纳米结构的表面等离激元（SP）是纳米光学的基础，对其性质的研究非常重要。然而，由于SP的衰减时间很短，导致该研究十分困难。另一方面，电子能损谱（EELS）是一种强有力的研究手段。然而在常规的电子散射中，非弹性散射电子只占极少的比例，这使得EELS的信噪比较差，限制了它在高空间分辨方向的应用。我们实验组最近的研究发现，激发银纳米结构的局域SP场可以诱发非线性非弹性电子散射（NIES），大大增强电子的非弹性散射概率，使其能够达到弹性散射的60%以上，可以解决EELS 中弱信号探测的难题。同时，理论分析表明，NIES过程中的散射电子携带了SP激发的信息，有可能通过该过程来研究纳米结构SP的性质。本项目计划对贵金属纳米结构进行NIES实验，探索对NIES过程的精确调控；同时利用NIES过程研究贵金属纳米结构SP的性质。以此为基础，发展更完善的NIES理论机制，以及新的基于局域SP的电子能谱技术。

贵金属纳米结构，特别是纳米结构间“热点”的表面等离激元（SP）局域场，是纳米光学乃至单分子光学的基础，对其性质的研究十分重要。另一方面，近期发现的非线性电子散射现象，也是受SP局域场诱导而产生的一种全新物理过程。非线性电子散射能够大大增强电子能量损失谱（EELS）中非弹性散射信号的强度，拓展EELS在高空间分辨和高灵敏度探测方向的应用。同时，我们前期的理论工作表明，非线性电子散射中携带了SP激发的信息，有可能通过该过程来研究纳米结构SP局域场的性质。本项目计划改进一台自制的扫描探针电子能谱仪，用它系统开展贵金属纳米结构的非线性电子散射实验，深入研究非线性电子散射过程，完善非线性电子散射理论机制，探索对它的精确调控，并通过非线性电子散射研究SP局域场的性质。.项目实施以来，我们改进了已有的扫描探针电子能谱仪，成功研制了微电极屏蔽针尖，使得谱仪能够在针尖-样品间距小于1微米的条件下进行能谱测量，为系统开展非线性电子散射实验做好仪器准备；开展了Au、Ag纳米颗粒的非线性电子散射实验，通过与表面增强拉曼散射对比，得到非线性项与场增强因子的关系，验证了非线性电子散射理论机制，展示了利用非线性电子散射研究SP局域场性质的可行性；开展了Ag纳米棒二聚体的非线性电子散射实验，观察到纳米棒二聚体SP的明模式与暗模式，发现非线性电子散射仅存在于暗模式的激发过程中，为研究光学禁戒的暗模式SP提供了一种有效手段，进一步完善了非线性电子散射的理论机制；观察到Ag纳米棒二聚体非线性电子散射的角分布特性，揭示了非线性电子散射与纳米颗粒形状及排列的相关性，为精确调控非线性电子散射打下基础。综上所述，项目的研究目标和拟解决的科学问题已基本完成。