没有合适的资源?快使用搜索试试~ 我知道了~
一种光栅纳米颗粒结构的双共振SERS基底.docx
1.该资源内容由用户上传,如若侵权请联系客服进行举报
2.虚拟产品一经售出概不退款(资源遇到问题,请及时私信上传者)
2.虚拟产品一经售出概不退款(资源遇到问题,请及时私信上传者)
版权申诉
0 下载量 107 浏览量
2023-02-23
20:45:58
上传
评论
收藏 1.03MB DOCX 举报
温馨提示
试读
11页
一种光栅纳米颗粒结构的双共振SERS基底.docx
资源推荐
资源详情
资源评论
摘要
从提高表面增强拉曼光谱(SERS)基底的增强效果出发,设计了光栅/纳米颗粒复合结
构,通过有限差分时域法(FDTD)对复合结构的消光特性和光场分布进行了仿真,并对
光栅的传播表面等离子体(PSP)和纳米颗粒的局域表面等离子体共振(LSPR)之间的
耦合效应进行了讨论。在两种不同分布密度的金纳米颗粒阵列(间隙分别为 2 nm 和 6
nm)的 LSPR 共振波长已知的前提下,基于 LSPR 和 PSP 之间的共振波长匹配原则,并
令光栅衍射光 PSP 波矢和 LSPR 波矢在 x 轴方向上的分量一致,设计了两种周期的金光
栅与相应的金纳米颗粒阵列分别匹配。光栅被入射平面波激发后产生的 PSP 又激发了纳米
颗粒的 LSPR,FDTD 仿真表明,在 633 nm 激发下,光栅/颗粒复合基底上颗粒间隙处最
大电场强度的平方比相应颗粒阵列提高一个数量级。同时,与平面波直接激发 LSPR 不
同,通过 PSP 激发的 LSPR 复合结构中颗粒周围的电场强度在得到提升的同时,热点区
域的分布更加广泛,从而可使得更多的被探测分子处于高增强区域中,这对于提高滴加于
此基底上的被探测分子的整体 SERS 信号强度非常有利。
Abstract
The grating/nanoparticle hybrid structure is designed to improve the enhancement effect
of surface-enhanced Raman scattering (SERS) substrates. The extinction characteristics
and the optical field distribution of the structure are simulated through the finite-difference
time-domain (FDTD) method. Meanwhile, the effect of the coupling between the
propagating surface plasmons (PSPs) of gratings and localized surface plasmon
resonance (LSPR) of nanoparticles are discussed. Given the LSPR wavelength of two Au
nanoparticle arrays (with the interparticle spacing of 2 nm and 6 nm, respectively), when
the wave vector components of PSP and LSPR of diffraction gratings along the x axis are
identical in view of the matching principle of resonance wavelength of LSPR and PSP,
two Au gratings with different periods are designed to match two Au nanoparticle arrays
separately. When the gratings are excited by plane waves, they generate PSP to excite
LSPR of nanoparticles. FDTD simulations demonstrate that the square of maximum
electric field intensity in the particle gaps of the grating/nanoparticle hybrid substrate is
improved by one order of magnitude compared to that of the corresponding nanoparticle
array under 633 nm excitation. Meanwhile, unlike the situation where LSPR is directly
excited by plane waves, the electric field intensity around the particles in the hybrid
structure excited in which LSPR is excited by PSP is enhanced, and the hot spot area is
largely extended, and thus more molecules are in the area of high enhancement, which is
highly conducive to improving the overall SERS signal intensity of those molecules
dropped on the substrate.
1 引言
表面增强拉曼光谱(SERS)作为一种强有力的分析和表征手段,在近三四十年中得到了
长足的发展。目前普遍认为,与普通拉曼光谱信号强度相比,SERS 信号强度高出 3~7 个
数量级是所使用的 SERS 基底对被测分子的电磁场增强和化学增强
[1-6]
所导致的。电磁场
增强主要发生在一些导电金属制备的基底
[7-8]
中。合适频率的入射光会激发基底的表面等
离子体共振(SPR),金属中的自由电子和光子开始协同振荡,入射光被束缚在基底表面
的同时,光电场得到极大增强。由于入射光和散射光频率相差不多,因此入射光在被基底
增强的同时,散射光也会被增强,进而表面增强拉曼光谱信号的增强因子与光场增强的平
方成正比
[9-10]
,即正比于(I/I
0
)
2
,其中 I 为散射光强度,I
0
为入射光强度。化学增强源于
吸附分子与基底之间发生的电荷转移。电荷转移增加了被测分子的极化率,进而增大了被
测分子的散射截面。除过金属外,一些二维材料和半导体材料也常被开发制作成 SERS 基
底,就是利用了这些材料的化学增强的特点。由于本文的研究对象是金属材料,相对化学
增强来说,它发挥的电磁场增强效应更为显著,因此本文仅从电磁场增强的角度进行阐
述。
一般来说,金属纳米结构中存在两种类型的表面等离子体,局域表面等离子体共振
(LSPR)和传播表面等离子体(PSP),常见的 SERS 基底是基于 LSPR 效应的纳米颗
粒制备得到的,将颗粒之间的间隙
[11-12]
和颗粒的尖端凸起
[10-13]
等作为热点,用来放大拉
曼光谱信号。然而,间隙和尖端所提供的空间有限,这会导致吸附在热点处的待测分子数
量较少,进而对整体的拉曼信号增强贡献有限
[14]
。近 10 年来,有些研究者提出通过
PSP
[15-20]
而非入射光直接激发 LSPR,不仅可以进一步增强结构表面的电场增强效应,还
可以提供广阔的可供待测分子吸附的空间。由于通常 PSP 的波矢量大于光波的波矢量,故
不能直接用光波激发出沿金属/介质界面传播的 PSP,而是通过引入一些特殊的结构达到波
矢匹配,如棱镜、波导、光纤和光栅。在棱镜/贵金属纳米颗粒结构中,Srivastava 等
[17]
和 Li 等
[18]
采用有限差分时域法(FDTD)从理论上拟合了入射角、纳米颗粒的尺寸和颗
粒与棱镜之间介质层的厚度等因素对 PSP 和 LSPR 耦合的影响,并通过实验验证了 PSP
激发 LSPR 后拉曼信号的增强效果。Futamata 等
[20]
在共振角度下测试了棱镜/纳米颗粒
上待测分子的拉曼光谱信号,与入射光直接激发相比,其增强因子提高了两个数量级。关
于通过光栅的 PSP 激发纳米颗粒的 LSPR 从而构筑 SERS 基底的工作鲜有报道
[21-22]
。
Zhou 等
[21]
通过在银光栅上组装单层金纳米颗粒制备了双共振复合 SERS 基底,比纳米颗
粒基底的增强因子提高了一个数量级。Kalachyova 等
[22]
将金纳米颗粒平铺于正弦光栅表
面上,发现 PSP 和 LSPR 耦合空间随激发波长的变化而变化。在以上对光栅/纳米颗粒双
共振 SERS 基底的研究工作中,并未对光栅的结构参数进行优化。本团队前期已经针对银
光栅/银颗粒复合基底,考察了光栅的周期、栅脊宽度等参数对复合基底场强的影响
[23]
,
在此研究的基础上进一步提出了一种激发金纳米颗粒阵列 LSPR 的光栅。同时,利用
FDTD Solutions 软件对设计的金光栅/金纳米颗粒结构进行电磁场仿真,考察其中 PSP 与
LSPR 之间的耦合和场强的变化,以验证它可以作为高增强的双共振复合基底应用在
SERS 领域中。
2 FDTD 数值拟合
2.1 结构模型
金光栅/金纳米颗粒复合结构示意图如图 1 所示。图 1(a)是复合结构的截面图。其中,
矩形截面的金光栅的周期为 P、栅脊宽度为 W、栅脊高度 H 和槽底厚度 D 为固定值(分
别为 50 nm 和 20 nm)。光栅槽底上均匀排列直径为 25 nm 的球形金纳米颗粒,颗粒之
间的间隙根据拟合情况进行调整。金光栅沉积在硅片表面,复合结构的俯视图如图 1(b)
所示。
剩余10页未读,继续阅读
资源评论
罗伯特之技术屋
- 粉丝: 3962
- 资源: 1万+
下载权益
C知道特权
VIP文章
课程特权
开通VIP
上传资源 快速赚钱
- 我的内容管理 展开
- 我的资源 快来上传第一个资源
- 我的收益 登录查看自己的收益
- 我的积分 登录查看自己的积分
- 我的C币 登录后查看C币余额
- 我的收藏
- 我的下载
- 下载帮助
安全验证
文档复制为VIP权益,开通VIP直接复制
信息提交成功