【参赛作品】表面等离激元有望助力生物医疗检测

当金属结构的尺寸小到纳米尺度,金属中大量的自由电子在外界光场的影响下会产生一些特殊的现象,贵金属中的表面等离激元共振(Surface Plasmons Resonance)就是这样一种微观世界的普遍现象。由于它的灵活性和普遍性,在生物医学、单分子检测、光电探测等学科交叉领域都有着巨大的潜在应用价值,探究表面等离激元共振的模式分布和模式的灵活性调控一直是该领域前进的方向。

表面等离激元共振是材料体系费米面附近的电子有效跃迁而形成的一种特殊的电磁场行为,当光场或变化的电磁场,加载在纳米尺度的贵金属微结构上,会导致金属中的电子发生周期性的集体震荡,微结构表面的电荷分布也会发生周期性变化,产生不同的共振模式。石墨烯是一种原子尺度的碳单层平面材料,因其具有超高的电子迁移率,超薄的尺寸特性,受到科学界的广泛关注。然而,仅仅石墨烯在可见光波段几乎透明,很难在近红外区域或可见光-近红外宽谱区域实现与光场的耦合,将石墨烯特殊的电学性质与表面等离激元光学现象相结合,是一次巧妙的尝试。

香港中文大学王建方教授和许建斌教授在这方面进行了一系列的科研工作,利用纳米天线-石墨烯夹层结构,在可见光-近红外光谱区域可实现简单、快速、有效的耦合共振模式调控。其相关研究成果发表在Advanced Optical Materials (DOI: 10.1002/adom.201300313)。在HfOx/Si衬底上沉积100nm金膜,然后转移石墨烯覆盖在金膜上,滴加金纳米球的悬浮溶液制备成纳米天线-石墨烯夹层结构。通过暗场显微镜探测样品的散射峰谱,可侧面反映出表面等离激元多种不同的耦合模式,在一系列实验探究后,发现这种纳米天线-石墨烯夹层结构在可见光-近红外光谱区域可以有效地实现耦合模式的调控。

金纳米球与金膜之间强烈的表面等离激元耦合是导致散射峰的变化的重要原因,存在单层石墨烯夹层样品相比无单层石墨烯样品,由于耦合强度不同导致其散射峰发生明显红移现象。存在单层石墨烯的夹层结构,会发生强烈的耦合,一方面由于石墨烯特殊的介电性质对金纳米球与金膜之间的耦合产生了屏蔽效应,另一方面,由于石墨烯超薄的尺寸会导致电荷隧穿的发生。分别加载s偏振光场与非偏振光场相比较,两种情况下都会激发出三种共振模式,即偶极共振、四极子共振和八极子共振,峰位几乎没有差异。同时,通过改变石墨烯层数的或调控石墨烯的电学掺杂、退火掺杂等,同样可以有效调控耦合的共振峰位,即共振-回路模型。实验观察到,随着石墨烯层数的增加,四极子模式消失,偶极模式发生蓝移,八极子模式峰位呈曲线变化。由于电学掺杂和退火等工艺会改变石墨烯的费米能级,p型掺杂的石墨烯夹层结构耦合共振峰位会发生明显蓝移。

这项研究提供了一个简单而有效的途径,使得光与石墨烯之间发生强烈的耦合作用。在病毒检测、DNA测序等生物医疗领域,通过操控光与石墨烯耦合可实现快速、廉价、稳定地生物医学探测,在促进医学发展,保障人类健康方面具有重要价值。

原文链接:Nanoantenna-Sandwiched Graphene with Giant Spectral Tuning in the Visible-to-Near-Infrared Region(DOI: 10.1002/adom.201300313)