中科院物理所表面等离子体光子学研究取得新进展

物理所表面等离子体光子学研究取得新进展

近日，中国科学院物理研究所、北京凝聚态物理国家实验室的徐红星小组在表面等离子体光子学研究中取得新进展。他们的工作得到了国家自然科学基金委、科技部、中国科学院知识创新工程的资助。

表面等离子体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共振的纳米结构体系的研究已形成了国际上迅猛发展的热点研究领域之一，即表面等离子体光子学。金属纳米结构的表面等离子体激发能够产生非常特殊的光电性质，例如，微量的分子吸附就可以导致表面等离子体共振频率的改变;一些特殊的纳米结构也可导致局域光电场的显著增强，这使得所吸附分子的拉曼散射强度增强几个至十几个数量级，从而使表面拉曼光谱的探测灵敏度达到单分子水平。表面等离子体光子学包含非常广泛的研究内容。随着纳米科学的发展，以表面等离子体共振为基础的研究日益活跃，并派生出众多的研究分支，例如表面光电场增强、表面增强光谱、光透射增强、表面等离子体纳米波导、光学力增强、表面等离子体光催化、表面增强的能量转移及选择性光吸收等等。这些研究不但发现许多新现象和提出许多新问题，而且展示了巨大的应用前景，有望为纳米表征技术和基于其的传感器技术提供新原理和新方法，进而发展为具有超高检测灵敏度的新型表面等离子体和表面增强光谱传感器。

最近，该研究组的研究生魏红等与美国Rice大学教授Peter Nordlander合作，研究了金的纳米线和纳米颗粒耦合的结构中拉曼散射的增强随偏振的变化关系，发现当入射激光偏振方向垂直于纳米线时，在纳米线和纳米颗粒之间的间隙可以产生巨大的电磁场增强，并且该增强对纳米颗粒的形状变化并不敏感。利用等离子体杂化模型，计算了该体系的电场强度随偏振的变化关系，计算结果揭示局域等离子体与传播等离子体间的相互作用的关系，与实验结果相符。在该工作中首次提出了在表面增强拉曼散射中拉曼发射增强与入射激光的偏振无关，而局域电场增强则随入射偏振有cos2θ的依赖关系，因而总体的拉曼增强与入射偏振角度是cos2θ的关系。该工作发表在近期的Nano Lett (8, 2497-2502, 2008)上。

另外，他们与瑞典Lund大学的专家合作，研究了金的纳米颗粒-孔洞对的新颖纳米结构对拉曼信号的增强作用。尽管纳米颗粒-孔洞结构可以产生与纳米颗粒对强度相当的增强效果，但由于纳米颗粒位于孔洞中，有效增强的区域要比两个颗粒间的增强的区域大一个量级。还有，纳米的孔洞结构便于生物功能化处理。因此，该新结构将为生物体系的表面增强拉曼传感器研究提供更为理想的基底。该工作发表在最近一期的Small (4, 1296-1300, 2008)上。