表面等离激元手性金属纳米结构制备与表征

By merging both merits of surface plasmon hybridization theory and chiral nanostructure, with the advanced nanofabrication techniques, we can design and fabricate metallic plasmonic chiral nanostructure at any operation wavelength. These active controlled nanostructure can show chiral molecule properties and also process huge field enhancement. By using scanning near-field optical microscopy, dark-field microscopy, and Fourier Transform infrared spectroscopy, we can characterize these chiral structures, and apply them to the protein folding, biology sensor, and surface Raman enhancement etc.. The proposed metallic chiral nanostructures have following advantages: first, it can be designed by the plasmon hybridization theory, and realize a full wavelength detection, including visiable and infrared range; second, these chiral nanostructrue consists with different sized metallic nano disks in order to make a symmetric or symmetry broken array pattern, thus the structure resonance frequency is depended on plasmon coupling strength, structure size, incident intensity and polarizations; third, with the design of chiral pattern and stack multilayers, we can introduce the chiral properties to the three dimensional metallic nanostructes, which expend our plasmonic applications from traditional optical electronic device into different interdiscipline research areas.

本项目创新性地结合手性分子结构和表面等离激元实验方法，利用现代微纳加工技术，设计并制备任意波段、可操控、且具有场增强效应的金属纳米结构"手性分子"，再利用近场光学显微、暗场光学显微、傅立叶红外光谱微区显微等实验手段对其进行表征，最终将其应用到蛋白质折叠、生物传感、拉曼增强等研究领域。申请人提出的表面等离激元"手性"纳米结构，其优点有：1）利用表面等离激元杂化理论，可预测并设计在可见光、近红外、中红外等不同波段的共振增强金属纳米分子结构，使其具有探测波段可选择性；2）利用不同尺寸金属纳米圆盘按照各种对称性制备的二维阵列，使其共振峰位及耦合强度可由结构的尺寸、入射光强、偏振方向等因素决定，具有可操控高灵敏性；3）利用"手性分子"的多层维累叠设计，使传统的金属平面结构，转变为具有"手性"光学特性的三维纳米器件，使其的应用范围从微纳光电器件扩展到各个交叉学科领域。

本课题创新性制备手性金属纳米结构，利用近场光学显微、暗场显微等实验手段对其进行表征，实现对表面等离激元电磁场模式的操控及器件应用。2013年立项以来，经过4年的研究，本课题在手性等离激元的共振增强、模式选择、器件应用等方面取得了系列成果，实现了对平面手性等离激元纳米结构的Fano共振及其模式分析，利用螺旋形金属纳米手性结构在不同光自旋作用下的发光器件应用及近场光学表征，等等。在发表论文方面，课题负责人以唯一通讯作者发表包括Chemical Reviews（IF：47.928），Nano Lett.，Adv. Mater., ACS Nano影响因子IF>10的高水平学术期刊论文10篇，相关论文SCI他引1000余次，其中3篇入选ESI高被引论文；依托该课题，申请专利6项，2项已授权，并参与制定国家标准1项；受邀参加国内外学术会议做邀请报告30余次；初步建立在这一学术领域内的国际学术声誉，获得基金委优青，国家万人计划青年拔尖人才，成为该研究方面的青年学术带头人，开展了广泛的国际课题组之间的合作和联系，达到国际领先水平。