近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所納米材料與器件技術(shù)研究部在超寬帶金屬等離激元天線(xiàn)的開(kāi)發(fā)上取得了重要突破。相關(guān)研究成果發(fā)表在Nano Letters上。

光譜失諧是指等離激元天線(xiàn)的響應頻率與外部施加的光譜范圍不匹配時(shí)，導致信號增強效果減弱或失效的現象，該現象在中紅外波段(400-4000 cm^-1)普遍且無(wú)法避免。例如，在共振表面增強紅外吸收(rSEIRA)模式下，金屬天線(xiàn).0

的窄帶寬與分子指紋振動(dòng)頻率無(wú)法完全匹配，導致大部分信號弱增強或者無(wú)增強，使得檢測效率低下。

為此，研究團隊采用了一種新型的低溫孵育合成法，制備了均勻的銀微米超粒子。這些微粒呈準球形，平均直徑為0.97微米，表面由大量納米間隙和納米突觸組成，被稱(chēng)為“熱點(diǎn)”(圖1)。通過(guò)等離激元耦合效應，該銀微粒的等離激元帶寬顯著(zhù)擴展，覆蓋了整個(gè)中紅外波段，成功克服了光譜失諧。進(jìn)一步通過(guò)形貌優(yōu)化，銀顆粒的熱點(diǎn)質(zhì)量得到大幅提升。將該銀微粒作為金屬等離激元天線(xiàn)，研究團隊首次在共振表面增強紅外吸收模式下成功探測到了4-巰基苯甲腈的幾乎完整的分子指紋光譜(圖2)；進(jìn)一步測量不同必需氨基酸的rSEIRA光譜，發(fā)現其在機器學(xué)習算法的輔助下展示出高光譜識別度。研究結果表明制備的銀微米超粒子對分子指紋振動(dòng)的全頻段均能高效檢測。

該研究不僅改變了對中紅外金屬等離激元天線(xiàn)“帶寬窄、尺寸大但熱點(diǎn)面積小”的慣性認知，還為超靈敏中紅外光學(xué)傳感材料的研發(fā)與應用提供重要指導。

上述研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目、國家杰出青年科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年創(chuàng )新促進(jìn)會(huì )及國家自然科學(xué)基金等項目的資助。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.4c01562

圖1. 銀微米超粒子的制備流程以及基礎表征圖：a) 銀微米超粒子制備流程圖；b) 銀微米超粒子的消光譜；c) 銀微米超粒子的低放大倍率掃描電鏡照片；d) 銀微米超粒子的高放大倍率掃描電鏡照片；e) 銀微米超粒子的透射電鏡照片；f) 銀微米超粒子的掃描透射電鏡照片；g) 銀微米超粒子的選區衍射圖案；h) 銀微米超粒子表面高分辨透射電鏡照片。

圖2. 不同形貌的銀微米超粒子的紅外光譜以及理論模擬：a) 銀微米超粒子的形貌優(yōu)化策略；b) 優(yōu)化后的銀微米超粒子的基礎表征照片；c) 銀微米超粒子的共振表面增強紅外吸收光譜；d) 優(yōu)化后的銀微米超粒子的共振表面增強紅外吸收光譜；e) 銀微米超粒子的電磁場(chǎng)理論模擬；f) 優(yōu)化后的銀微米超粒子的電磁場(chǎng)理論模擬；g) 銀微米超粒子的消光截面的理論模擬；h) 優(yōu)化后的銀微米超粒子的消光截面的理論模擬。