基于表面等离激元的选择性拉曼增强特性研究

论文摘要

光学天线因其新颖的物理现象和对光场的收集、发射及调控能力受到研究人员的广泛关注,在微纳光场调控、增强拉曼散射和增强荧光、近场成像及近场光刻等领域都有重要应用。近年来,随着表面增强拉曼散射（SERS）研究的不断深入,基于金属表面激元共振结构的拉曼增强因检测灵敏度高而得到了广泛的应用。但目前大多研究均以实现更大的拉曼增强因子为目的,为解决拉曼检测系统中的另一个重要问题——目标分子的可识别性,本文提出了基于多波长金属表面激元共振体系在复杂的多样品系统中实现对目标分子的选择性增强,从而在增加灵敏度的基础上实现对目标分子的选择性检测。本文主要是基于光学天线的表面等离激元局域及耦合增强特性,设计制备了高Q值多波长的等离激元共振结构:周期性金属纳米单元-介质层-金属膜。通过激发金属微纳结构的局域表面等离激元共振（LSPR）模式以及周期性结构引入的传播型等离激元共振（SPR）模式,并使不同共振模式相互之间杂化耦合形成Fano共振,实现了具有多共振波长、高增强因子的表面增强拉曼（SERS）基底。同时,由于中间介质层的引入使得这些模场与其镜像激发的光场相互耦合进一步增强了结构周边的电磁场强度。且由于多级等离激元模式之间的相互耦合,在实现高增强因子的同时实现对等离激元共振峰频谱宽度的有效压缩,极大提高了结构的品质因子Q。此外,这种结构还具有小模式体积、高空间重叠等优良特性。这种具有高灵敏度选择性的拉曼传感器可在非化学的、无需荧光探针的、适用于各种分子的高灵敏度通用传感等领域获得广泛应用。本文的主要内容包括:（1）为实现具有高增强因子的选择性增强基底,本文根据SPP与LSPR的杂化耦合理论设计了具有双共振波长的周期性金盘对-二氧化硅-金膜结构,通过Comsol Multiphysics仿真软件对其结构参数进行优化,采用电子束曝光Lift-off工艺制备该结构。研究发现该结构不仅表现出极大的场增强因子,且具有两个共振模式,可在增强激发场的同时实现散射场的增强。将其应用于R6G选择性拉曼增强检测实验,发现该结构可实现探针分子的选择性拉曼增强,但由于LSPR模式的共振峰仍然过宽,选择性拉曼增强的效果有待提高。（2）由于周期性金盘对基底的LSPR峰过宽,本文根据光学天线的发射特性,将周期性金盘对结构优化为周期性银孔结构。研究发现相对于金盘对结构该结构不仅可有效压缩等离激元共振峰的线宽,极大提高了结构的品质因子,且提供了三个共振模式,便于选择性拉曼增强效果的实现。实验发现,相较于传统的单共振结构（周期性圆孔-二氧化硅）,该三共振结构对R6G分子的信号强度增强了约一个量级;且相较于二氧化硅基底上测得的特征谱,与结构共振峰相匹配的拉曼信号提高了约3-5倍,而不匹配的拉曼信号仅得到了些许增强,当将两个选择的拉曼信号相结合可将探针分子的检测灵敏度提高至少一个量级。（3）周期性圆孔结构的品质因子虽然得到了有效提高,但是其对电磁场的局域特性仍有待增强,基于此,本文将圆孔结构优化为蝴蝶结孔结构,设计了周期性蝴蝶结孔-二氧化硅-银膜结构。研究发现该结构在近红外光谱范围内仍可提供三个具有高品质因子、小模式体积和高空间重叠等特性的共振模式。此外,由于间隙的存在,三个共振模式均具有极大的场增强因子且强度相当。相对于圆孔结构,该结构在实现高品质因子的同时表现出了更大的场增强因子,将圆孔结构的平均场增强因子从150提高到了5000左右;相较于金盘对结构,其将金盘对结构的中心场增强因子从4000提高到了35000左右,且品质因子得到了极大提高。这些特性对于选择性拉曼增强的实现提供了更好的方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 光的散射及拉曼散射
•   1.3 表面增强拉曼散射
•     1.3.1 物理增强理论
•     1.3.2 化学增强机理
•     1.3.3 物理增强和化学增强共同作用机理
•   1.4 SERS基底的研究现状及其应用
•     1.4.1 SERS基底的研究现状
•     1.4.2 SERS基底的应用领域
•   1.5 Fano共振
•   1.6 本文的研究意义与主要工作
•   1.7 论文的主要内容
• 第二章 表面等离激元的理论基础
•   2.1 表面等离激元的基本知识
•   2.2 金属介电常数的色散模型
•     2.2.1 Drude模型
•     2.2.2 Drude-Lorentz模型
•   2.3 表面等离激元的基本性质
•     2.3.1 表面等离激元的色散特性
•     2.3.2 表面等离激元的特征长度
•     2.3.3 表面等离激元的激发方法
•   2.4 谐振腔的品质因子和有效模式体积
•     2.4.1 谐振腔的品质因子
•     2.4.2 谐振腔有效模式体积
•   2.5 数值模拟方法简介
•   2.6 本章小结
• 第三章 双波长高增强周期性金盘对选择性拉曼增强基底研究
•   3.1 引言
•   3.2 周期性纳米金盘对-二氧化硅-金膜共振结构仿真模型的建立与分析
•   3.3 周期性纳米圆盘对-二氧化硅-金膜共振结构仿真结果及分析
•   3.4 周期性金盘对阵列-二氧化硅-金膜共振结构制备及测试
•   3.5 本章小结
• 第四章 三波长高Q值周期性纳米孔选择性拉曼增强基底研究
•   4.1 引言
•   4.2 周期性纳米圆孔-二氧化硅-银膜共振结构仿真模型的建立与分析
•   4.3 周期性纳米圆孔-二氧化硅-银膜共振结构仿真结果与分析
•   4.4 周期性纳米圆孔-二氧化硅-银膜共振结构的制备与测试
•   4.5 本章小结
• 第五章 三波长高Q值周期性蝴蝶结孔选择性拉曼增强基底研究
•   5.1 引言
•   5.2 周期性蝴蝶结孔-二氧化硅-银膜共振结构仿真模型的建立与分析
•   5.3 周期性蝴蝶结孔-二氧化硅-银膜共振结构的仿真结果与分析
•   5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 主要研究工作
•   6.2 展望与建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 祁正青

导师: 吕昌贵

关键词: 表面增强拉曼散射,有限元分析法,多波长共振,选择性增强

来源: 东南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,电信技术

单位: 东南大学

分类号: O43;TN820

总页数: 89

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