新型表面等离激元光学器件的构筑单元:大尺寸金纳米棒单层规整阵列

金棒组装示意图

贵金属纳米结构与光相互作用所产生的电子集体振荡,即局域表面等离激元共振(Localized surface plasmon resonance, LSPR),在光催化、亚波长光学器件,以及表面增强拉曼散射(Surface enhanced Raman scattering, SERS)等领域有广泛的应用前景。金纳米棒(Gold nanorod, GNR)是一种制备简便、化学稳定的各向异性贵金属纳米材料,相比同粒径球形颗粒有超出两个数量级的光散射截面。基于金纳米棒的组装结构由于棒间的表面等离激元共振耦合所导致的集合特性而受到广泛关注。发展器件规模上结构均匀、可重复性高的阵列组装方法是制备基于金纳米棒可靠光电器件的重要基础。然而,由于金棒自身的各向异性,获得取向和位置高度有序、超过微米尺度的大规模金纳米棒规整阵列至今仍是一个挑战。

国家纳米科学中心葛广路课题组使用界面组装的方法制备了金纳米棒大规模单层垂直阵列结构。通过温和的表面化学调控将金纳米棒表面的亲水配体CTAB置换为疏水的小分子硫醇后,GNR从水相中析出进入水气界面,以此界面为模板自组装成自由漂浮的薄膜。薄膜中GNR形成垂直取向的单层阵列,均匀铺展可达数十平方毫米。X-射线衍射(XRD)及掠入射小角X射线散射(GISAXS)结果证实阵列结构高度均匀规整,取向有序度超过95%。研究同时发现,由于金纳米棒紧密堆积(阵列中GNR间距约2nm),此阵列作为SERS基底,其拉曼增强效果比随机取向的堆积体高一个数量级。更重要的是由于结构的高度规整,其SERS性能有较好重现性,多空间位点测试表明其SERS增强因子偏差在5%以内,这在高灵敏定量SERS检测领域有较好应用前景。这种规整阵列也为建立单个金棒的表面等离激元光子学和金棒组装体的光学性质之间的联系提供了一种模型研究体系。