廉价的高性能等离激元材料:三维杂化铝纳米结构阵列

等离激元(plasmonic)纳米材料在入射光的照射下,产生局域表面等离激元共振现象,在材料表面形成很强的电场,因而,在光谱传感器、太阳能利用等领域拥有广泛的应用前景。基于贵金属的研究表明,间距为纳米级尺寸的两个颗粒之间存在强烈的等离激元共振耦合效应,能够进一步促进电场增强,也称为“热点”。“热点”可显著提升光谱传感器的灵敏度,提高太阳能-电能/化学能转化效率。因此,纳米结构中的等离激元耦合是形成“热点”的关键。传统贵金属(金、银)等离激元材料成本高,且银表面易氧化导致稳定性不佳。金属铝是一种新兴的、廉价等离激元材料,具有紫外到可见光波段等离激元共振特性,很有希望代替贵金属,特别对于紫外-表面增强拉曼光谱(SERS)领域,铝是一种很理想的衬底材料,近两年受到关注。然而,目前已报道的铝纳米结构主要是由孤立的纳米颗粒构成的二维阵列,结构单元之间距离很大,缺少等离激元耦合或“热点”。因此,较低的“热点”密度严重制约了这种低成本等离激元材料的发展。

AFM-yangjing

近期,天津大学材料学院杨静研究团队开发了一种简便、高效的激光液氮直写技术,在铝片上一步原位制备了面积为1平方厘米左右、具有高密度等离激元“热点”的三维杂化铝纳米结构(3D-Al-HNSs)。3D-Al-HNSs由三维堆积的杂化单元组成,而每个杂化单元由数个20 nm 的Al@Al2O3核壳纳米颗粒自组装在一个50 nm的大颗粒上构成。数值模拟表明,每个杂化结构中相邻颗粒之间的薄氧化铝层能够激发强烈的双重等离激元共振耦合,形成“热点”,氧化层表面的电场增强明显高于文献报道的其他铝纳米结构;此外,杂化结构的三维堆积可进一步提高“热点”密度。这种大面积、高密度“热点”的铝纳米结构具有很强的深紫外到可见光宽波段的光捕获能力。同时,该材料可直接作为紫外-SERS的衬底,应用于痕量分子检测。实验结果表明,其SERS增强因子比已报道的铝纳米材料高出至少三个数量级,对于非共振分子的检测极限和SERS增强因子达到了贵金属水平。另外,该结构的等离激元特性和探测灵敏度具有长达六个月的稳定性,结构稳定好,并且可以多次重复使用。该研究工作为研发低成本、高性能铝基等离激元材料提供了新思路,这种新型铝纳米结构在等离激元传感器及太阳能转换等领域应用前景广阔。

相关论文发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201605703)上,并以Inside Back Cover形式报道。