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科研進(jìn)展

科學(xué)島團隊在高效中紅外光學(xué)傳感材料研究方面取得重要進(jìn)展

作者:鐘世川發(fā)布時(shí)間:2024-06-13【打印】【關(guān)閉】

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)”(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(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

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。

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。

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