基于干涉结构下的表面增强拉曼散射

本项目是将周期性金属结构的相干共振特性引入表面增强拉曼散射(SERS)光谱中。构筑具有干涉效应的光栅型器件化SERS基底，包括：表面等离子体（SP）光子带隙材料（负载金属的一维、二维光子晶体）、SP相干的定向衍射结构（周期性金属点阵、条带、同心环）以及负折射结构（填充金属的氧化铝模板）。利用这些基底形成SP的相干共振，实现对局域电磁有效地增强并激发SERS效应。深入了解等离子体波与光子耦合后的传输特性。研究光栅参数对表面等离子体共振（SPR）多级偶极的影响。在光栅型SPR耦合效率最大处获得最佳的SERS光谱。对亚波长光学器件上激励拉曼散射效应的特殊性进行认识。利用周期阵列结构的增强光透过的特性，有效地增强光能量的转换效率，实现SERS的进一步增强。本研究是对亚波长光学器件上的拉曼散射效应的实验研究，是SERS技术走向器件化的初步尝试，对于SERS的物理机理研究也具有重要意义。

本项目严格执行了申请书中对周期性金属结构SERS基底的设计，并利用角度分辨光谱探究其定向的发射特性研究内容。按计划完成了计划书中的研究内容，并将其拓展到极具应用前景的周期性金属结构SERS芯片方面。.金属纳米阵列结构产生Bragg等离子体，Bragg等离子体可从周期结构中发射出去，表现为等离子带隙。等离子带隙结构可对特定波长的光产生增强的吸收及透过效果，会对光产生聚焦、调控、导向的作用。本项目是将周期性金属结构的等离子体特性引入表面增强光谱中，构筑周期结构的金属基底，使其具有定向发射功能。主要研究内容及取得的重要研究进展有：（1）构筑多种独特的金属周期结构。包括以纳米球打印术为基础的多级类蜂巢氧化铝孔道阵列结构、纳米井阵列结构等。（2）利用时域有限差分（FDTD）模拟探讨局域电磁场分布和远程耦合发射性质，并优化周期结构参数。（3）自行搭建的角度分辨光谱装置来进行定向发射光谱采集、分析。探讨光谱增强与等离子特性的关系。（4）定向发射的调控。利用液晶对电信号的响应，调控表面等离子体，从而实现定向发射的电信号调控和快速响应。（5）将周期性金属结构作为可实用化的SERS芯片，并拓展其应用。.本项目研究实现了在多种周期结构等离子器件上拉曼散射和荧光发射具备定向性的实验研究；提出了通过定向发射特性提高光谱收集效率，进而提高检测信号的策略，这对于实现超灵敏检测具有重要意义，对于针尖增强拉曼等信号收集效率低的装置结构改善也具有借鉴价值；将周期金属结构向SERS芯片应用迈进，有可能获得高效的纳米尺度下的辐射元件和检测元件。.在本项目资助下发表学术论文11篇，会议文章7篇，已授权专利1项，申请专利1项。资助培养博士生4人，硕士生3人。多人次参加国内外学术会议。邀请3人次境外专家来访。