银纳米球壳二聚体的几何结构与电磁场增强共振波长的关系

基于Mie理论的T-矩阵方法,研究了银纳米球壳二聚体的几何结构对其自身电磁场增强的影响,并结合偶极子场耦合理论进一步讨论了二聚体阵列的光学性质.计算结果表明,通过调控银纳米球壳二聚体的几何结构可以强烈地影响到二聚体和二聚体阵列的光学性质.同时发现二聚体对电磁场增强的共振波长可以随着二聚体几何结构的改变而改变.

金属纳米球-纳米圆盘结构中表面等离激元共振模式的电磁场增强研究

表面等离激元自诞生以来已有一百多年的历史,并逐渐形成了一门新的学科——表面等离激元光子学。位于金属纳米结构中的局域表面等离激元可产生非常显著的近表面电场增强,并成功应用于诸多研究领域当中,而对局域表面等离激元与外界入射光中磁场的相互作用的研究则相对较少。该研究在前期已有的研究基础之上模拟计算了金属纳米球-纳米圆盘结构间隙处的近表面电、磁场增强,研究结果表明该结构在单束紧聚焦径向偏振光束的激发下,金属纳米圆盘产生局域表面等离激元呼吸模式和上下表面处的电偶极矩模式,该模式使圆盘中心纵向表面电场得到增强。由于金属纳米圆盘与金属纳米球的局域表面等离激元电偶极矩的耦合共振相互作用,可以形成纵向电场得到有效增强的局域表面等离激元共振间隙模式。通过数值模拟计算研究,证明该金属纳米结构间隙模式的纵向电场分量相对于径向偏振入射光的有效激发横向电场分量即近表面电场的增强因子高达250倍;而近表面磁场的增强因子高达170倍。为了更清晰地展现出这种新型金属纳米结构的光谱特性以及近表面电、磁场分布特征,还展示出了该金属纳米结构的近表面电场增强分布、近表面磁场振幅分布以及近表面电、磁场共振波长的对比分析,计算结果表明所提出的金属纳米球-纳米圆盘结构具有明显的局域近表面电、磁场增强优势以及较宽的频谱波段。由于本文提出的金属纳米结构具有电、磁场增强优势,希望计算结果能应用到更多的研究领域当中,尤其是生物医学等领域,为人们抗击疫情提供一点点参考和帮助。

亚波长金属槽阵列表面电磁场增强

针对表面增强拉曼散射的应用,采用严格耦合波分析方法研究了亚波长金属槽阵列的表面电磁场增强效应。模拟阵列周期和槽深对阵列槽口处电磁场增强的影响,明确了结构内部共振效应对电磁场增强的贡献,分析了亚波长金属槽阵列拉曼散射的平均增强效果及阵列外空间中电磁场增强的有效作用范围。研究表明,在槽内共振效应的影响下,亚波长金属槽阵列在一个周期内的拉曼散射增强因子可达106数量级,并在垂直距离阵列表面1/5波长的范围内可得到明显的电磁场增强,超出该范围增强因子将迅速衰减到1的数量级。数值结果表明阵列表面电磁场增强几乎不受贵金属类型的影响。

亚波长单金属槽电磁场增强分析

针对金属微纳结构在表面增强拉曼光谱领域的应用,研究了金属基底亚波长单槽结构产生的电磁场增强。采用全矢量方法严格计算了平面波照明下金属槽外部区域电磁场的分布情况。建立了法布里-珀罗(F-P)半解析模型,该模型能够精确预言全矢量方法的计算结果,能够节省设计最优槽深的计算量。基于该模型分析了金属槽外部区域电场增强的物理机制,结果表明达到相长叠加共振状态的金属槽内基模在槽外空间中激励的透射电场是金属槽外空间中电场增强的主要来源。研究了槽外空间电场增强的范围,结果表明对于不同的槽宽和入射波长,在垂直距离槽口0.1倍波长的范围内电场增强较为明显,在该范围之外,电场增强因子迅速衰减到1的数量级。

基于电磁场作用增强的超材料吸收体太赫兹微流传感器

为解决因分析物与局部增强电磁场弱相互作用而导致传感器灵敏度偏低的问题,通过引入微流控技术,提出一种基于电磁场作用增强的超材料吸收体太赫兹微流传感器。传感器与太赫兹波相互作用产生磁偶极子共振,在0.4~1.4 THz频段内可产生两个吸收率高于98%的谐振峰。同时,通过集成微流通道,极大促进了分析物与位于法布里-珀罗谐振腔内局部增强电磁场的相互作用,传感器灵敏度可达537 GHz/RIU。另外,结构单元设计为四重旋转对称结构,传感器具备良好的极化不敏感和宽入射角度不敏感特性。结果表明,所设计的传感器具有灵敏度高和偏振不敏感等特性,在无标记微量物质检测领域具有良好的应用潜力。

单晶金微米片的电磁场增强及伴随的SERS效应

我们通过SERS的方法研究了单个金微米片表面不同区域的电磁场增强。首次对单个金属粒子采用拉曼区域成像的方法为电磁场增强提供了直接的实验证据。用结晶紫作为探针分子,通过对金微米六边形及截断的金微米三角形的SERS研究,直接证明金属粒子的边和角比面的电磁场增强更强。排除分子吸附、杂质干扰、晶体缺陷、表面活性剂等因素的影响,最后得出金微米片上电磁场增强的强弱顺序是角#边#面。

纳米材料的表面增强拉曼散射增强机理研究进展

表面增强拉曼散射(SERS)技术具有高灵敏度、高分辨率、无损检测及不需要预处理等优点,已成为一种可以实现定性定量分子检测的有力工具,使目标分析物信号放大的痕量检测技术,甚至能够在分子水平上提供丰富的结构信息。虽然SERS增强机理一直存在争议,但目前被广泛接受的增强机理包括物理增强(电磁场增强)和化学增强(主要为电荷转移的贡献)。随着近年来金属、非金属等诸多材料应用于SERS领域,诸多学者对于影响SERS基底的增强因素产生广泛兴趣,对于SERS增强机理的研究具有重要意义。综述中主要从SERS电磁增强机理、化学增强机理及两者的协同机理三个方面对SERS增强机理进行阐述,分析哪些因素影响基底增强效应,为SERS增强机理的分析提供一些参考。同时提出不同基底结构在增强机理分析过程中面临的问题:(1)在电磁增强机理中,单一贵金属基底因其“热点”分布不均匀、不可控因素导致SERS灵敏度和重复性差等因素,对SERS电磁增强机理影响效果较大;(2)在化学增强机理中,单一半导体材料由于价格实惠、材料性能较稳定、表面易于改性等优点被广泛应用于SERS基底、由于增强能力较低等因素、对SERS化学增强效果不明显;(3)SERS基底不再局限于单一的金属或者非金属材料,更多是金属-非金属两者的结合,既能够弥补贵金属的缺点,也能利用非金属的优点,通过电磁增强机理和化学增强机理的协同作用有效提高SERS增强能力。对于SERS增强机理的分析,有助于制备均一性强、重复性高的SERS基底,为SERS基底的制备提供参考。

Au@SiO_2核壳纳米粒子的制备及其表面增强拉曼光谱

采用柠檬酸钠还原氯金酸法制备金溶胶,以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源,氨水作催化剂,制备以金为核,二氧化硅为壳的核壳纳米粒子.金纳米粒子的粒径可以通过柠檬酸钠和氯金酸的比例控制,通过调节TEOS的量和反应的时间可以控制二氧化硅壳层的厚度.以苯硫酚为探针分子研究了核壳结构纳米粒子的表面增强拉曼散射(SERS)效应与二氧化硅壳层厚度之间的关系.研究结果表明,金内核电磁场增强效应随着二氧化硅壳层厚度的增加逐渐减弱,且其衰减速度比具有相同尺度的双金属核壳结构纳米粒子的慢.此外,探针分子主要以物理作用吸附在二氧化硅的表面,可通过洗涤方法将探针分子除去,从而可使该复合结构基底用于循环SERS分析.

介质掺杂近零媒质中光场增强效应及其应用

电磁场的汇聚与增强是电磁学中一个重要的研究内容,具备场汇聚与增强特性的电磁(光学)器件在高方向性电磁天线、激光点火、光学调控等方面有着广泛的应用前景.目前,电磁场增强的途径主要有两种,一是采用构造人工电磁材料结构以实现辐射方向的控制和能量集中,其次是采用具有高介电常数或高磁导率的材料来实现电磁场增强,但是上述两种方式应用在光学波段具有一些局限性.本文基于光子晶体掺杂理论,通过介质掺杂近零媒质的方式成功实现了光场增强功能.理论分析和数值仿真计算表明所设计的结构能够显著实现场强增强,并适用于微波至光波波段,应用频谱范围很宽.作为应用探索,本文还设计了一款工作在270 nm波长的紫外光波段点火装置.上述工作为新型电磁(光学)器件的研制提供了新的思路.

p-Thiocresol吸附在银纳米粒子表面系统的表面增强拉曼散射和表面增强共振拉曼散射的增强研究(英文)

文中从实验和计算两方面报道了在514.5 nm激发光下p-Thiocresol吸附在银胶表面系统的表面增强拉曼散射(SERS).文中分析了它的增强机制,发现增强主要来自于电磁场增强.如果考虑距离为2 nm的两个银纳米粒子的耦合效应,两粒子之间的SERS的电磁场增强为7.16×107.静态化学增强亦起到部分增强作用,它的增强倍数为6.所以,总的SERS增强,包括静态化学增强和电磁场增强,是Gtotal=GSC×GEM=4.4×108.我们也理论地研究了此系统的表面增强共振拉曼散射(SERRS).当激发光与p-Thiocre-sol-Ag3系统的激发态共振时,电荷转移机制(化学增强)也将起到重要作用,最强的增强可达106.我们使用电荷密度将激发光下p-Thiocresol和Ag团簇间的电荷转移结果可视化,这是电荷转移的直接理论证据.对于SERRS增强,包括电荷转移和电磁场增强机制,能达到1013.

表面增强荧光效应研究进展

在外光场激励下,金属纳米结构衬底表面所形成的集体电子振荡模式可有效调制其局域电磁场分布,对居于衬底附近的荧光分子的荧光辐射产生调控。其影响因素主要取决于衬底金属表面所形成的电磁振荡模式和电磁场分布性质。归纳了光谱学中表面增强荧光效应研究的关键问题,指出了周期性有序衬底金属增强荧光及其金属纳米颗粒增强荧光研究的主要研究进展。基于局域电磁场增强机理模型,讨论了不同形貌衬底金属对荧光分子的荧光调控机理和影响因素。对表面增强荧光效应的研究前景进行了展望。

基于玫瑰花状MoS_(2)@Au复合材料的SERS效应研究

本文通过水热法合成了玫瑰花状的MoS_(2)纳米粒子(NPs),结合氧化还原法制备了MoS_(2)@Au复合材料(NCs),并将其作为表面增强拉曼散射(SERS)的活性基底。利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪以及拉曼光谱仪分别对MoS_(2)和MoS_(2)@Au复合材料进行表征。以罗丹明6G(R6G)作为探针分子,对MoS_(2)和MoS_(2)@Au两种材料的SERS性能进行研究。SERS结果表明在532 nm激光线的激发下,相比于MoS_(2)对R6G分子的检测极限为5×10^(-6)M,MoS_(2)@Au复合材料的检测极限高达5×10^(-9)M,明显提高了3个数量级,这得益于Au纳米粒子的电磁场增强与基底-分子间电荷转移增强的协同作用。并计算得到基底的SERS信号相对标准偏差(RSD)值为12.2%,表明MoS_(2)@Au基底的SERS信号具有较好的均匀性。

高灵敏光纤SERS基底的性能研究

由于光纤长度可控以及其独特的光学性能使得光纤SERS基底的检测灵活简单,在本研究中,采用油水分离的实验方法在光纤端面上修饰了银纳米颗粒,证明了该方法可以制备光纤SERS基底并有效增强拉曼信号。我们将结晶紫溶液作为分析物对制备的SERS光纤基底进行了表征,并对光纤SERS基底的均匀性、灵敏度和稳定性三个方面进行了研究。在实际应用中,使用光纤基底对罗丹明6G和农药中间体合成中广泛使用的4-氨基苯硫酚进行了检测。这些实验结果证明了自组装法为光纤SERS基底的制备提供了可行思路。

基于SERS检测盐酸左氧氟沙星含量

拉曼光谱作为一种散射光谱,可以研究许多分子的振动光谱信息,并且具有很多优点,如无损性、原位检测、操作简便、迅速快捷等。氧氟沙星是第三代喹诺酮类药物,其左旋体左氧氟沙星的制剂盐酸左氧氟沙星滴眼液具有抗菌范围广、抗菌作用强等功效。本实验通过表面增强拉曼光谱法建立起左氧氟沙星含量测定的新方法。该方法操作简单,灵敏度高,重现性好,结果准确,为该类药品和含左氧氟沙星滴眼的液质量标准和控制方法提供了实验依据。

复合SERS基底的构建及性质

通过自组装方法以对巯基苯胺(PATP)为偶联分子,在石英基片上构筑了多种形貌的银钠米粒子单层结构和三明治结构.研究了组装膜在不同激发线下表面增强拉曼散射(SERS)的增强差异.研究结果表明,单层基底和三明治基底中偶联分子的SERS信号因银纳米粒子间的电磁场耦合而显著增强,且在三明治结构中增强更加明显.对复合SERS基底增强因子进行计算可知,复合SERS基底的表面等离子体共振(SPR)峰与激发线的匹配程度越好,其增强因子越大.在三明治结构中更易发生PATP分子转变为对巯基偶氮苯(DMAB)分子的激光诱导催化偶联反应.另外,该激光诱导催化偶联反应与激发波长密切相关.

金纳米棒复合结构中的双重法诺共振效应

应用时域有限差分法(FDTD)模拟计算了由金纳米棒和偶极纳米天线构成的复合结构的消光光谱、近场增强和电荷分布。研究结果表明,在金纳米棒复合结构中能够产生双重法诺共振效应现象,并且在不同的法诺共振光谱位置处,能在不同的偶极纳米天线中产生很强的电磁场增强。此外,通过改变纳米棒复合结构中偶极纳米天线与金纳米棒的间距,以及偶极纳米天线中纳米棒的间距和长度大小,可以对法诺共振的调制深度和光谱位置进行大范围调谐。这些结果为理解金纳米棒复合结构中法诺共振效应的光学性质及纳米棒间的耦合作用提供了帮助,将金纳米棒复合结构用于微纳电子器件的优化设计,以满足其在光信息控制处理、多波段生物传感及表面增强喇曼散射等方面的应用。

痕量炸药SERS探测方法研究进展

痕量炸药探测技术在维护国家安全和开展军事行动中至关重要。随着战场排雷、反恐搜爆的迫切需求,具有分子“指纹”信息的表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman scattering,SERS)方法受到广泛关注与研究。从SERS基底设计与炸药分子吸附浓缩两个方面,全面综述了痕量炸药SERS探测方法的研究现状,对TNT和DNT炸药的最低探测极限进行了归总,这种灵敏度是其他技术难以匹敌的。最后讨论了目前SERS探测技术在实际使用中仍存在的不足,并对其研究方向和前景进行了展望,可为反恐搜爆和战场排雷行动提供技术指导。

单分子表面增强光谱

单分子表面增强光谱的研究不仅对揭示分子与金属纳米结构的相互作用的物理机制具有重要意义,而且具有重要的应用前景.本文主要结合我们在单分子表面增强拉曼散射方面的研究工作,介绍了单分子表面增强拉曼散射的研究进展,包括增强机理、与入射光偏振的关系、多颗粒体系中对拉曼散射光的偏振调控、单分子表面增强拉曼散射中的光学力问题及单分子表面增强拉曼散射的远程激发,并简要介绍了单分子针尖增强拉曼散射和单分子表面增强荧光.

界面自组装的金/氧化石墨烯复合材料的表面增强拉曼散射行为研究

采用Frens法制备金纳米粒子溶胶,通过界面自组装技术在掺磷的非晶碳衬底表面构筑三维的金/氧化石墨烯/金复合结构.以罗丹明B为探针分子,考察金/氧化石墨烯/金复合材料的表面增强拉曼散射活性.结果表明,由于氧化石墨烯的化学增强和金纳米粒子的电磁场增强的协同作用,在该三维复合材料上获得了很强的罗丹明B拉曼信号.所设计的三维金/氧化石墨烯/金复合材料在生物分析、环境监测、疾病防控、食品安全等领域具有潜在的应用价值.

石墨烯等离激元的光学性质及其应用前景

石墨烯等离激元由于其独特的电学可调性、本征低衰减以及局域光场高度增强等特性,引起了广泛的关注并迅速成长为一门新的学科分支——石墨烯表面等离激元光子学.本文介绍了石墨烯等离激元的一些基本性质,包括色散关系、局域的等离激元和传导的等离激元以及石墨烯等离激元对其周边介电环境的敏感性等.在此基础上,进一步介绍了石墨烯等离激元在太赫兹到中红外频段的应用,比如有源光调制器的一些功能器件和增强的红外光谱探测等.