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科研進展

《Nature Communications》刊登徐紅星院士團隊最新成果

來源:MG娱乐官网  發布時間:2018-02-26 14:51:56 點擊次數:

近日,MG娱乐官网和高等研究院徐紅星教授領導的研究團隊在表面等離激元光學傳感應用研究方面取得突破性進展,實現對納米結構間距變化亞皮米(1皮米=10-12米)精度的精確測量。相關成果以Probing of sub-picometer vertical differential resolutions using cavity plasmons為題發表在國際知名期刊《自然·通訊》上。論文第一署名單位是武漢大學,MG娱乐官网博士生陳文和張順平副教授為共同第一作者,徐紅星教授為通訊作者。

在相距幾個納米的兩個金屬納米結構中,表面等離激元(導體中自由電子相對正離子背景的集體振蕩的元激發)能夠發生強烈的近場相互作用,導致劇烈的光散射與吸收。這種近場(尺度遠小于光的波長)相互作用使得納米結構的光散射共振波長隨納米結構的間距變化非常敏感,可以被用作超靈敏的納米位移/距離的光學傳感,因此被稱為等離激元尺子(Plasmon Ruler)。這種等離激元尺子已被報道用于多種納米材料和生物分子微弱變化的實時傳感,如DNA鏈聚合,生物酶反應,分子吸附檢測等。然而,已有報道距離變化的精度僅僅做到亞納米的級別,滿足不了對更精細更微弱的物理現象的探測與分析。

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圖一金屬納米線-間隙材料層-超光滑金膜組成的納米腔結構及其表面等離激元共振模式的近場與遠場性質。

在此前研究中,該團隊從理論上發現當兩個靠近的金屬納米結構是平板結構時,存在一種隨間距變化非常敏感的納米腔表面等離激元共振模式,且其輻射損耗較小,用它作為等離激元共振傳感可以達到靈敏度的理論極限值(Nanoscale, 2016, 8, 13722-13729)。在最新的工作中,研究團隊設計了一種更容易制備的金屬納米線-間隙材料層-超光滑金膜的三明治復合平板納米腔結構,通過觀察這種納米腔等離激元模式的散射峰的光譜移動來測定間隙材料層的微小厚度變化(圖一)。為了演示該體系的傳感靈敏性,研究團隊選擇一種聚合物納米薄膜作為間隙材料層,改變樣品的溫度可使間隙材料層的厚度因熱膨脹發生微弱的變化(圖二)。通過排除熱膨脹引起折射率變化產生的貢獻,實驗上證實了這種納米腔等離激元傳感器可以原位測定到亞皮米的厚度變化,比之前報道的等離激元尺子亞納米精度高了幾個數量級,創造了新的世界記錄。此項工作將等離激元光學傳感推進到了一個前所未有的靈敏度,對新型等離激元光學傳感器在物理化學現象的超靈敏探測方面具有重要的應用意義。

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圖二利用納米腔等離激元模式實現對間隙材料層亞皮米厚度變化的原位實時測量。

該工作得到了科技部和國家自然科學基金委項目的支持。

附:論文全文鏈接地址

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