表面等离子体受激辐射放大领结型纳米天线的SERS单分子探测(英文)

基于表面等离激子受激辐射放大原理,提出了一种应用于表面增强拉曼散射(SERS)单分子探测的领结型纳米天线结构。采用有限元方法(FEM)研究其局域表面等离子体共振(LSPR)和SERS特性。结果表明,该领结型纳米天线的局域表面等离子体共振强度和局域电场强度得到明显的增强,其散射截面为非表面等离激子受激辐射放大领结型纳米天线的1.1×104倍,局域电场强度为1×102倍。同时,该领结型纳米天线的表面增强拉曼散射增强因子最大达到1016,足以进行精确的单分子探测;整个纳米天线表面的增强因子也可达到1012,足以应用于单个生物分子的探测。     

脉冲激光改性金属纳米薄膜的等离子体特性

在室温环境下,实验采用Nd\:YAG光纤脉冲激光器辐照银(Ag)、铜(Cu)、铝(Al)三种光滑连续的金属薄膜,制备出了对应的三种金属纳米颗粒薄膜。通过调节激光扫描速率可以实现三种金属纳米颗粒薄膜的局域表面等离子体共振(LSPR)波长和强度的调谐。其中,Ag纳米颗粒薄膜在可见光波段的等离子体吸收峰的波长和强度均表现出较宽的调谐范围,Cu纳米颗粒薄膜在可见光波段的等离子体吸收峰的波长和强度均表现较小的调谐范围,Al纳米颗粒薄膜在紫外光波段的等离子体吸收峰窄而尖锐,且LSPR波长调谐范围也较小。与激光辐照前的三种金属薄膜相比,激光辐照后生成的三种金属纳米颗粒薄膜出现了更强的表面增强拉曼散射信号。有限差分时域仿真模拟出的样品的电场强度分布与实验得到的表面增强拉曼散射结果一致。     

纳米结构分子吸附引起的表面增强拉曼散射研究

利用模板印刷技术,制备了具有不同局域表面等离子体共振(LSPR)峰的Au纳米空心半球壳结构,并以4-巯基苯胺(4-ATP)为探针分子研究了纳米结构表面吸附分子对表面增强拉曼散射(SERS)强度的影响。结果表明,当纳米结构的LSPR峰位处于激发光波长的短波长或"马鞍型"位置时,SERS强度随吸附分子数的增加而增大;当处于长波长位置时,SERS强度呈现先增大后减小的趋势。利用分子吸附理论和纳米结构表面局域场强度变化,对此现象进行了解释。     

金纳米棒复合纳米颗粒荧光辐射的微观和宏观调控

正金属纳米颗粒以其独特的表面等离子体共振(Surface plasmon resonance,SPR)特性广泛应用于生物标识、荧光增强、表面增强拉曼散射(SERS)等诸多领域。其中荧光增强和SERS主要利用的是金属纳米颗粒SPR产生的激发增强或发射增强效应。提出了一种基于金纳米棒的荧光增强的新方法:通过将金纳米棒的横向和纵向SPR模式分别与荧光分子的激发和辐射波段相匹配,可以实现激发和辐射的同时增强,获得最大的"激发-发射"效率。为验证这种"双SPR荧光增强"物理机制,开展了DDA数值模拟和单纳米颗粒荧光观测实验、理论和实验结果表明,满足"双SPR荧光增强"机制的金纳米棒复合纳米颗粒具有最高的"激发-发射"效率,达到20倍之多。这种"双SPR荧光增强"机制为表面等离子体荧光增强提供了一种新的思路。     

交叉蝴蝶结纳米结构的Fano共振效应用于表面增强相干反斯托克斯拉曼散射的理论研究

Fano共振效应拥有独特的局域场增强效果,在表面增强相干反斯托克斯拉曼散射中,不同波长局域场增强空间位置相同的结构结合Fano共振效应,可以实现混合频率共振模式,使得表面增强相干反斯托克斯拉曼散射总的增强因子得到大幅度提高。采用FDTD软件系统研究了对称的交叉蝴蝶结Au纳米结构的Fano共振效应,该效应使得交叉蝴蝶结结构中心位置附近的电场强度得到大幅度的增强,把该结构应用到表面增强相干反斯托克斯拉曼散射中,可以使表面增强相干反斯托克斯拉曼散射信号的增强因子高达1013,达到单分子检测的水平。     

表面等离子体激元增强薄膜太阳电池研究进展

表面等离子体激元共振是金属纳米结构非常独特的光学特性,对基于表面等离子体激元共振的纳米结构体系的研究已形成了一门新兴的学科,即表面等离子体光子学。可以利用金属纳米颗粒光散射、近场增强以及高度局域的表面等离子体极化激元增强薄膜太阳电池光吸收,提高电池转换效率。当前,表面等离子体光子学应用于太阳电池的设计已成为国际上光伏研究迅猛发展的一个热点。文章主要介绍表面等离子体激元增强薄膜太阳电池光吸收的原理及其在光伏器件中应用的最新研究进展。     

透射式金属光栅耦合SPR传感器

用磁控溅射技术在双面抛光的蓝宝石衬底上沉积了20 nm Ti和100 nm Au的金属薄膜,通过标准光刻工艺制备出1.6和2.0μm两种周期结构的一维光栅表面等离子体共振(SPR)传感器。用时域有限差分算法(FDTD)模拟仿真并结合实验测试的透射光谱,研究分析了不同周期结构的金属薄膜光栅型SPR传感器的特性。基于金属光栅耦合,利用表面等离子体激元(SPP)的局域特性和光栅的选频特性,实现了SPR传感器的信号增强和滤波功能。研究结果表明,利用金属薄膜光栅表面介质的变化引起的光栅透射光谱中激发表面等离子体共振峰的位置变化,可以获得被测物体的物理、生物和化学等相关特征信息。     

激光液相烧蚀法制备金核银壳纳米结构及其性能的研究

采用波长为248nm的KrF准分子激光烧蚀制备纯净的金核银壳复合纳米结构,通过高分辨透射电子显微镜(HRTEM)以及电子能谱(EDS)对其形貌结构和成分进行了表征。实验发现,控制银壳的厚度能够调节该纳米结构的表面等离共振吸收曲线峰位,采用Mie理论对金核银壳纳米结构在形成过程中的表面等离共振吸收曲线进行了模拟,模拟结果与实验结果一致。探讨了激光烧蚀法制备金核银壳纳米结构的机制。此外,实验结果表明准分子激光烧蚀法制备的金核银壳纳米结构具有优异的表面增强拉曼光谱(SERS)活性,可用于物质痕量检测领域。     

树枝状Ag基底的制备及其SERS活性研究

研究了一种表面增强拉曼散射(SERS)活性Ag基底的制备新方法。通过电化学方法和液相生长方法相结合在金属Al表面制备SERS活性Ag膜。用扫描电子显微镜(SEM)表征Ag膜的表面形貌,以结晶紫(C25 H30N3Cl·H2O)为拉曼探针分子,研究了基底的SERS增强效果。研究表明:结晶紫分子吸附在Ag膜表面的SERS强度随电沉积时间的增加呈现先增强后减弱的趋势;进一步的Ag增强剂和引发剂的混合溶液对电沉积Ag膜的浸泡处理可以调节基底Ag膜的结构形态,增强电沉积基底Ag膜的SERS活性。     

金属纳米二聚体结构的局域表面等离子体激元共振特性研究

将金属纳米粒子二聚体结构作为光学谐振腔,采用 时域有限差分(FDTD)法仿真模拟了一种新型局域表面等离子体激光器(SPASER)。 使用洛伦兹复介电常数模型研究二聚体的增益介质特性,探讨了二聚体结构中 两个纳米局域表面等离子体激元共振(LSPR)以及相互作用机制,进一步研究了 LSPR相互作用对SPASER的局域场增强的影响。 模拟结果表明,相比较单纳米颗粒SPASER,LSPR的相互作用使得二聚体SPASER的局域电场显著 增强,增强因子最 大可以相差27倍。本文研究为纳米光学器件尤其是激光器件的设计提 供了依据。LSPR效应的 研究可以用于探索一些光与物质相互作用的极限效 应,从而为有源光子线路、生物传感以及量子信息处理等研究开辟道路。     

3D Microfluidic Surface‐Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) Chips Fabricated by All‐Femtosecond‐Laser‐Processing for Real‐Time Sensing of Toxic Substances

A novel all‐femtosecond‐laser‐processing technique is proposed for the fabrication of 2D periodic metal nanostructures inside 3D glass microfluidic channels, which have applications to real‐time surface‐enhanced Raman spectroscopy (SERS). In the present study, 3D glass microfluidic channels are fabricated by femtosecond‐laser‐assisted wet etching. This is followed by the space‐selective formation of Cu‐Ag layered thin films inside the microfluidic structure via femtosecond laser direct writing ablation and electroless metal plating. The Cu‐Ag films are subsequently nanostructured by irradiation with linearly polarized beams to form periodic surface structures. This work demonstrates that a double exposure to laser beams having orthogonal polarization directions can generate arrays of layered Cu‐Ag nanodots with dimensions as small as 25% of the laser wavelength. The resulting SERS microchip is able to detect Rhodamine 6G, exhibiting an enhancement factor of 7.3 × 10⁸ in conjunction with a relative standard deviation of 8.88%. This 3D microfluidic chip is also found to be capable of the real‐time SERS detection of Cd²⁺ ions at concentrations as low as 10 ppb in the presence of crystal violet. This technique shows significant promise for the fabrication of high performance microfluidic SERS platforms for the real‐time sensing of toxic substances with ultrahigh sensitivity.     

自组装法制备团簇Ag纳米结构衬底及其SERS

采用自组装方法,在3-Aminopropyltrimethoxy silane(APS)分子修饰后的玻璃衬底表面,获得了二维Ag纳 米结构衬底。在波长为532nm激光激发下,研究了沉积在衬底表面的 Rhodamine 6G(Rh6G)分子的拉曼光谱特性。结 果表明,制备的二维Ag纳米结构衬底具有强的拉曼增强特性,增强因子可以达到 10⁷ 倍。这说明,在外光场作用下,制备的Ag纳米结构衬底表面能够形成的强局部电磁场分布, 可以有效提升探针分子的光谱辐射效率,从而获得高增强拉曼散射。     

自组装法制备Au纳米结构衬底及其表面增强荧光效应研究

采用自组装方法,在(APS)分子修饰后的玻璃衬底 表面,制备得 到Au纳米结构衬底。采取激光光谱学方法,研究所制备衬底对沉积其表面的Rhodamine 6G(R h6G) 分子的荧光辐射增强效应。实验发现,利用自组装方法制备的Au纳米结构衬底具有较强的荧 光增 强特性。理论分析表明,制备的Au纳米结构在外光场激发下,所形成的强局部电磁场分布 能够有效提升探针分子的电子跃迁速率,从而实现增强荧光效应。     

3D Aluminum Hybrid Plasmonic Nanostructures with Large Areas of Dense Hot Spots and Long‐Term Stability

Plasmonic materials possessing dense hot spots with high field enhancement over a large area are highly desirable for ultrasensitive biochemical sensing and efficient solar energy conversion; particularly those based on low‐cost noncoinage metals with high natural abundance are of considerable practical significance. Here, 3D aluminum hybrid nanostructures (3D‐Al‐HNSs) with high density of plasmonic hot spots across a large scale are fabricated via a highly efficient and scalable nonlithographic method, i.e., millisecond‐laser‐direct‐writing in liquid nitrogen. The nanosized alumina interlayer induces intense and dual plasmonic resonance couplings between adjacent Al nanoparticles with bimodal size distribution within each of the hybrid assemblies, leading to remarkably elevated localized electric fields (or hot spots) accessible to the analytes or reactants. The 3D‐stacked nanostructure substantially raises the hot spot density, giving rise to plasmon‐enhanced light harvesting from deep UV to the visible, strong enhancement of Raman signals, and a very low limit of detection outperforming reported Al nanostructures, and even comparable to the noble metals. Combined with the long‐term stability and good reproducibility, the 3D‐Al‐HNSs hold promise as a robust low‐cost plasmonic material for applications in plasmon‐enhanced spectroscopic sensing and light harvesting.     

Nanogap Plasmonic Structures Fabricated by Switchable Capillary‐Force Driven Self‐Assembly for Localized Sensing of Anticancer Medicines with Microfluidic SERS

Nanogap plasmonic structures, which can strongly enhance electromagnetic fields, enable widespread applications in surface‐enhanced Raman spectroscopy (SERS) sensing. Although the directed self‐assembly strategy has been adopted for the fabrication of micro/nanostructures on open surfaces, fabrication of nanogap plasmonic structures on complex substrates or at designated locations still remains a grand challenge. Here, a switchable self‐assembly method is developed to manufacture 3D nanogap plasmonic structures by combining supercritical drying and capillary‐force driven self‐assembly (CFSA) of micropillars fabricated by laser printing. The polymer pillars can stay upright during solvent development via supercritical drying, and then can form the nanogap after metal coating and subsequent CFSA. Due to the excellent flexibility of this method, diverse patterned plasmonic nanogap structures can be fabricated on planar or nonplanar substrates for SERS. The measured SERS signals of different patterned nanogaps in fluidic environment show a maximum enhancement factor ≈8 × 10⁷. Such nanostructures in microchannels also allow localized sensing for anticancer drugs (doxorubicin). Resulting from the marriage of top‐down and self‐assembly techniques, this method provides a facile, effective, and controllable approach for creating nanogap enabled SERS devices in fluidic channels, and hence can advance applications in precision medicine.     

Ultrasonication‐Induced Self‐Assembled Fixed Nanogap Arrays of Monomeric Plasmonic Nanoparticles inside Nanopores

Monomeric gold (Au) and silver (Ag) nanoparticle (NP) arrays are self‐assembled uniformly into anodized aluminium oxide (AAO) nanopores with a high homogeneity of greater than 95%, using ultrasonication. The monomeric metal NP array exhibits asymmetric plasmonic absorption due to Fano‐like resonance as interpreted by finite‐difference time‐domain (FDTD) simulation for the numbers up to 127 AuNPs. To examine gap distance‐dependent collective‐plasmonic resonance, the different dimensions of S, M, and L arrays of the AuNP diameters/the gap distances of ≈36 nm/≈66 nm, ≈45 nm/≈56 nm, and ≈77 nm/≈12 nm, respectively, are prepared. Metal NP arrays with an invariable nanogap of ≈50 nm can provide consistent surface‐enhanced Raman scattering (SERS) intensities for Rhodamine 6G (Rh6G) with a relative standard deviation (RSD) of 3.8–5.4%. Monomeric arrays can provide an effective platform for 2D hot‐electron excitation, as evidenced by the SERS peak‐changes of 4‐nitrobenzenethiol (4‐NBT) adsorbed on AgNP arrays with a power density of ≈0.25 mW µm^‐2 at 514 and 633 nm. For practical purposes, the bacteria captured by 4‐mercaptophenylboronic acid are found to be easily destroyed under visible laser excitation at 514 nm with a power density of ≈14 mW µm^‐2 for 60 min using Ag due to efficient plasmonic‐electron transfer.     

Au/TiO2复合纳米结构增强热电子光电探测器宽谱响应性能

宽谱响应光电探测器在图像传感和光通信等领域应用前景广阔。金属微纳结构通过激发表面等离激元共振效应可高效产生热载流子,将它们与宽带隙半导体构成异质结构,便可利用热载流子开发出低成本宽谱响应光电探测器。研究设计了一种基于Au/TiO₂复合纳米结构的热电子光电探测器。其中TiO₂层经退火后形成尺度约为百纳米的凹凸结构,Au纳米颗粒层与用作电极的保形Au膜共同组成了激发表面等离激元共振的纳米结构。由于Au/TiO₂复合纳米结构的协同作用,该器件在400～900 nm范围内具有宽谱光吸收性能,器件的平均光吸收效率为33.84%。在此基础上,该器件能够探测TiO₂本征吸收波段以外的入射光子。例如,在600 nm波长处,器件的响应率为9.67μA/W,线性动态范围为60 dB,器件的上升/下降响应速度分别为1.6 ms和1.5 ms。此外,利用有限元法进行了仿真计算,通过电场分布图验证了Au/TiO₂复合纳米结构中所激发的丰富表面等离激元共振效应是其实现宽谱高效探测的原因所在。     

应用置换反应制备高效SERS活性基底研究

利用预处理的铝片和铜片还原硝酸银溶液的方法获得了具有不同表面形貌的银纳米结构.扫描电子显微镜(SEM)图表明反应产物分别为花样和树枝状的银纳米结构.以对羟基苯甲酸(PHBA)作为探针分子,对这种新体系的表面增强拉曼散射(SERS)活性进行了研究,发现该体系是一种非常高效的SERS活性增强基底,并且其SERS活性优于用化学方法制备的银胶.本文对这种新型SERS活性基底的增强机制进行了讨论.     

飞秒激光加工低维纳米材料及应用

飞秒激光具有脉宽超短、瞬时功率密度超高、非线性加工的特点,对低维纳米材料的制备和加工有着独特的优势,且具有广泛的材料适应性,能够方便快捷地针对需要精确靶向定位和图案化加工的纳米材料做出加工策略。本文综述了飞秒激光对低维纳米材料的制备加工和改性的研究现状,介绍了时空整形飞秒脉冲激光方法下制备的功能性量子点、纳米线、二维薄膜材料,和这些材料在化学催化、生物化学检测、生物相容性及电子器件等领域的应用,分析讨论了激光液相烧蚀制备纳米材料和集成化器件加工当前所面临的挑战和今后的研究重点。