半峰宽最窄的表面等离激元材料的研制及其在超高灵敏传感中的应用

拥有周期性纳米特征结构的贵金属(金、银)表面等离激元阵列能在特殊的激发条件下实现表面等离激元共振(Surface plasmon resonance,SPR),从而将入射光束缚在其表面。SPR的产生对于表面折射率传感提供了两个绝佳的条件:一是共振波长(l)会随周围的介电环境(n)的变化(D n)而发生移动(D l);二是:共振导致的电磁场增强使单位折射率的变化能更灵敏地引起共振频率的移动。因此,基于SPR的传感器通常能够提供较高的灵敏度(Sensitivity = D l /D n)。但是,光与金属纳米结构的相互作用总是伴随着不可忽视的损耗,包括固有损耗和散射损耗。在传感应用中,这些损耗会导致共振模式半峰宽的严重展宽,以致实际检测中难以分辨几个纳米甚至是几十纳米的峰位置移动,而无法有效、准确地用于传感分析。因此,通过减小半峰宽(full width at half maximum,FWHM)来提高传感器的FOM(figure of merit,FOM= Sensitivity/FWHM)对于实现高灵敏的传感至关重要。固有损耗取决于所选择的金属,一旦材料确定,没有太多努力的空间。因此,人们越来越关注如何通过抑制散射损耗来有效的减小SPR半峰宽和提高传感器FOM值。

厦门大学任斌教授课题组针对以上关键问题,深入分析引起表面等离激元阵列上散射损耗的起源,提出一种全新的低损耗表面等离激元阵列的设计理念:无限趋近于平面的周期性表面等离激元阵列。利用自行搭建的紫外全息光刻平台,精确制备和调控所设计的结构。结果表明:通过减小周期性阵列上的特征结构,可以有效地减小SPR模式的半峰宽,并在优化的阵列上得到小至3 nm国际上最小的半峰宽。理论拟合的结果表明目前实验获得的表面等离激元阵列上的散射损耗几乎已达理论极限值,损耗基本都来自金属的固有损耗。需要特别指出,目前3 nm半峰宽是针对可见光到近红外波段的优化值。并不是该体系的极限,如果调整周期将共振波长进一步红移到红外区,将能获得更小的半峰宽。

他们将具有超窄半峰宽的表面等离激元阵列作为传感器件,用于体相的折射率传感(甘油的水溶液)与表面生物分子(牛血清蛋白,bovine serum albumin, BSA)的检测。结果表明该传感器能提供高达730的FOM值,能够检测低至10-10 M的BSA溶液。值得指出的是:目前已报道的许多高性能的传感器都工作于近红外波段(~1400 nm),但常规检测机构并不具备相应的光源和检测器,而该工作所报道的这款传感器件可以灵活地调节工作波长,在可见光波段已经取得了优于其它传感器在近红外波段的性能。

这种超低损耗、超窄半峰宽、超高Q值且造价低廉的新型纳米光学材料,不仅能在传感、检测领域获得广泛的应用,也为发展超高灵敏度的便携式传感检测器提供重要的思路。相信该结构将在纳米光学领域发挥其重要优势获得更广泛的应用,如可作为一个高品质的光学模式参与到与强耦合(strong coupling)以及光学模式杂化(modes hybridization)相关的新型纳米光学器件中。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201706031)上。

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