基于石墨烯纳米带增强的分子手性探测

Chiral molecules are pervasive in natural world. Molecular chirality determines their physical and chemical properties. Detection and characterization of these chiral enantiomers are of considerable importance for biochemical and pharmaceutical industries. Chiroptical spectroscopy techniques nowadays generally can’t meet the needs in application, with the disadvantages of small signal and large noise, etc. . Plasmon-based near-field enhanced delivered through specifically designed metal nanostructures has proved to be highly successful for ultrasensitive chiral detection. Nevertheless, traditional plasmonic materials ( e.g. coinage metals) inherently suffer from local heating due to the absorption of incident radiation and the transduction into thermal energy, which will change the optical properties of the absorbed medium. Here we present, for the first time, a study on chiroptical spectroscopy enhancement based on better tunability , localization and less lossy of graphene nanoribbon plasmon. This project combines both theory and experiment study. The main content includes: 1) properties of graphene nanoribbon plasmonics with infrared incident light, such as the tunability of plasmonic resonance frequency and magnitude based on the ribbon width, period and carrier concentration; 2) the enhancement of chiroptical spectroscopy based on grahene nanoribbon plasmon resonance, and the enhancement mechanism. This study will provide a new way in the future ultrasensitive chiral spectroscopy detection aspect.

自然界中很多分子都具有手性，其手性决定了它们的物理和化学性质。因此，分子手性的有效探测和表征对制药、化工、生物工程等领域的发展至关重要。现有的手性探测手段普遍具有信号小、抗噪声能力弱的缺点，很难满足实际应用的需要。. 以往的研究中多采用金属纳米结构等离激元共振来提高分子手性的检测灵敏度，但金属纳米结构在光照时易发热，影响附着分子的结构和性质。本项目首次提出利用石墨烯纳米带等离激元共振来提高分子手性检测灵敏度，利用石墨烯等离激元可调谐性强、局域性强以及低能量损耗的优点，实现分子手性超敏检测。采用理论计算与实验相结合的方式，研究：1）石墨烯纳米带在中红外波段的等离激元共振特性（共振峰峰位和强度随纳米带宽度、周期和载流子浓度的变化）；2）石墨烯纳米带等离激元共振对分子手性信号的增强，并澄清其增强的物理机制。本项目的研究内容将为超敏分子手性检测领域提供新的发展思路。

自然界中很多分子都具有手性，一对手性对映体的生化性质往往截然相反。因此，在制药、化工、生物工程等领域，分子手性的有效探测和表征至关重要。现有的手性探测手段普遍具有信号小、抗噪声能力弱的缺点，很难满足实际应用的需要。合理设计的微纳结构可以在结构附近产生超手征场，增强分子和光的相互作用，从而有效增强分子手性信号。近年来人们对利用微纳结构来增强分子手性信号进行了很多研究，但这些结构往往有发热严重、背景手性信号过大、以及产生的手征场不均匀等问题。为了解决这些问题，在本项目中，我们做了如下工作。1)在理论和实验上研究了基于石墨烯纳米带等离激元共振对分子振动圆二色(VCD)信号的增强。石墨烯纳米带具有光学损耗低、结构非手性、对分子手性信号的增强可调节，并且手征场局域性强的优点，能够完美规避上述微纳结构存在的问题。首先，我们在理论上成功构建了石墨烯纳米带模型，使其等离激元共振峰峰位在中红外波段，并计算得到等离激元共振峰峰位和强度随纳米带宽度、周期以及栅压的变化关系。此外，在理论上证明了石墨烯纳米带可以有效增强分子手性信号，增强的本质原因是在石墨烯纳米带附近产生了超手征场，并且这种增强可随载流子浓度调节。在实验上，制备了与理论模型相符的石墨烯纳米带阵列，并测量得到了其等离激元共振峰峰位和强度与纳米带宽度、周期以及栅压的关系，理论与实验完全相符，证明了理论模拟的可靠性，说明用石墨烯纳米带增强分子手性信号切实可行，为可调节的超敏分子手性检测提供了一种新思路。2)设计了具有矢量BIC的光子晶体板，并且在实验上成功制备符合理论模型的光子晶体板，首次观测到了该矢量BIC。激发矢量准BIC能够产生均匀的超手征场，其手征场强度比自然界中的圆偏振光要高3个数量级，在目前研究中最高，对实现超敏手性检测非常有利。3)在研究分子手性信号增强之外，在本项目的支持下，我们设计并在实验上制备了拓扑保护的全光逻辑器件。我们在硅基光子晶体板上制备了7种拓扑保护的全光逻辑门（与门、或门、非门、与非门、与或门、异或门、同或门），并证明在微扰下，其逻辑功能依旧有很强的鲁棒性。本项目的研究内容为超敏分子手性检测领域提供了新的发展思路，并在未来的光信号处理以及计算领域有很大的应用前景。