基于表面等离子体特性的TERS光催化研究

Tip enhanced Raman spectroscopy (TERS), has very high sensitivity and spatial resolution, can be used to study the molecular probe adsorption on surface nano structure, and the interaction between molecules and nano structure, surface plasmon and nanostructures on the distribution characteristics. This paper intends to use TERS technology, through the study of nano array substrate surface probe point and two-dimensional scanning spectrum of TERS, combining based on finite-difference time-domain method (FDTD) simulation results, analysis of surface plasma more noble metal nano array structure distribution. The design basis and theoretical basis for the design and fabrication of nano array optical devices and the transmission characteristics of nano structured optical waveguides are presented. With the help of TERS with high spatial resolution with surface plasmon distribution characteristics of nano array structure, research of photosensitive probe molecules in the local photocatalytic process and mechanism of surface nano structure, and the decisive effect of plasma on molecular photocatalytic reaction. Then the micro nano scale localized plasma induced photocatalytic reaction by TERS molecular probe control, is located in the nano structure surface of the photosensitive molecules achieve micro nano scale controlled molecular graphics rendering using TERS technology, which has important application value and scientific significance.

针尖增强拉曼光谱（TERS），具有很高的灵敏度和空间分辨特性，可以用于研究探针分子在纳米结构表面的吸附行为，以及分子与纳米结构之间的相互作用，进而研究纳米结构的表面等离子体分布特性。本课题拟采用TERS技术，通过研究纳米阵列基底表面探针分子的定点和二维扫描TERS光谱特征，结合基于时域有限差分法（FDTD）的模拟计算结果，分析多种贵金属纳米阵列结构的表面等离子体分布特性。为设计制造纳米阵列结构光学器件、研究纳米结构光波导传输特性等提供设计依据和理论基础。借助TERS具有高空间分辨率的优势，结合纳米阵列结构表面等离子体分布特性，研究光敏探针分子在纳米结构表面的局域光催化过程和机制，以及等离子体对分子光催化反应的决定性影响。进而通过TERS探针控制微纳尺度下局域等离子体诱导分子光催化反应，位于纳米结构表面光敏分子借助TERS技术实现微纳尺度下分子图形的可控绘制，具有重要应用价值和科学意义。

表面等离激元是在入射光的驱动下金属纳米结构中的自由电子相对于金属原子核的集体振荡，使得金属纳米结构展现新奇的光学性质，如可见光的选择性吸收和散射、电磁波束缚在亚波长尺度及局域电磁场增强等。利用等离子体衰减产生热电子驱动有机分子的催化反应受到人们的广泛关注。由于高检测灵敏性的表面增强拉曼光谱（SERS）和纳米尺度分辨率的针尖增强拉曼光谱(TERS)，SERS和TERS已经成功的应用于研究等离激元催化反应。本项目通过研究纳米阵列基底表面探针分子的光谱特征，结合基于时域有限差分法的模拟计算结果，分析多种贵金属纳米阵列结构的表面等离子体分布特性。借助拉曼光谱具有指纹谱的的优势，结合纳米阵列结构表面等离子体分布特性，研究光敏探针分子在纳米结构表面的局域光催化过程和机制，以及等离子体对分子光催化反应的决定性影响。. 借用TERS高空间分辨率的优势，研究TERS探针和基底之间距离、探针定位区域以及入射激光的偏振方向对贵金属纳米阵列表面等离子体分布特性的影响。研究表明，随着针尖和基底间距离的增加，TERS 针尖尖端附近的电磁场的强度急剧下降，入射光偏振方向在很大程度上影响了银纳米孔阵列表面等离子体分布状态。同时采用三维有限时域差分方法对银纳米孔阵列表面的电磁场分布特性进行了理论模拟。. 系统研究利用TERS技术控制局域等离子体对吸附在Au薄膜表面的4NBT分子发生二聚反应的影响。实验证明利用TERS系统的纳米探针可以实现对4NBT分子光催化二聚反应进行微纳尺度上的操控。另外，使PATP分子均匀于平整的Au基底上，通过操控TERS针尖相对于基底水平移动，可控地诱导针尖轨迹下方PATP分子转化为DMAB。后期通过使用SERS-mapping读取TERS针尖绘制的图形。实验表明，利用TERS实现等离激元诱导光催化反应的纳米图形绘制是可能的。此项技术有望实现在特殊的纳米阵列或二维材料衬底表面进行微纳加密图形的绘制和读取。与其他常规的微纳加密技术相比，微纳加密读写技术存在显著的优势。