中科院物理所表面等離子體光子學研究取得新進展

物理所表面等離子體光子學研究取得新進展

近日，中國科學院物理研究所、北京凝聚態物理國家實驗室的徐紅星小組在表面等離子體光子學研究中取得新進展。他們的工作得到了國家自然科學基金委、科技部、中國科學院知識創新工程的資助。

表面等離子體共振是金屬納米結構非常獨特的光學特性，對基于表面等離子體共振的納米結構體系的研究已形成了國際上迅猛發展的熱點研究領域之一，即表面等離子體光子學。金屬納米結構的表面等離子體激發能夠產生非常特殊的光電性質，例如，微量的分子吸附就可以導致表面等離子體共振頻率的改變;一些特殊的納米結構也可導致局域光電場的顯著增強，這使得所吸附分子的拉曼散射強度增強幾個至十幾個數量級，從而使表面拉曼光譜的探測靈敏度達到單分子水平。表面等離子體光子學包含非常廣泛的研究內容。隨著納米科學的發展，以表面等離子體共振為基礎的研究日益活躍，并派生出眾多的研究分支，例如表面光電場增強、表面增強光譜、光透射增強、表面等離子體納米波導、光學力增強、表面等離子體光催化、表面增強的能量轉移及選擇性光吸收等等。這些研究不但發現許多新現象和提出許多新問題，而且展示了巨大的應用前景，有望為納米表征技術和基于其的傳感器技術提供新原理和新方法，進而發展為具有超高檢測靈敏度的新型表面等離子體和表面增強光譜傳感器。

最近，該研究組的研究生魏紅等與美國Rice大學教授Peter Nordlander合作，研究了金的納米線和納米顆粒耦合的結構中拉曼散射的增強隨偏振的變化關系，發現當入射激光偏振方向垂直于納米線時，在納米線和納米顆粒之間的間隙可以產生巨大的電磁場增強，并且該增強對納米顆粒的形狀變化并不敏感。利用等離子體雜化模型，計算了該體系的電場強度隨偏振的變化關系，計算結果揭示局域等離子體與傳播等離子體間的相互作用的關系，與實驗結果相符。在該工作中首次提出了在表面增強拉曼散射中拉曼發射增強與入射激光的偏振無關，而局域電場增強則隨入射偏振有cos2θ的依賴關系，因而總體的拉曼增強與入射偏振角度是cos2θ的關系。該工作發表在近期的Nano Lett (8, 2497-2502, 2008)上。

另外，他們與瑞典Lund大學的專家合作，研究了金的納米顆粒-孔洞對的新穎納米結構對拉曼信號的增強作用。盡管納米顆粒-孔洞結構可以產生與納米顆粒對強度相當的增強效果，但由于納米顆粒位于孔洞中，有效增強的區域要比兩個顆粒間的增強的區域大一個量級。還有，納米的孔洞結構便于生物功能化處理。因此，該新結構將為生物體系的表面增強拉曼傳感器研究提供更為理想的基底。該工作發表在最近一期的Small (4, 1296-1300, 2008)上。