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纳米等离激元增强拉曼光谱（PERS）新应用发表于《自然评论:材料》

发布日期:2016-05-02     浏览次数:次   
       田中群教授课题组应邀为今年新推出的《自然评论:材料》 Nature Reviews Materials撰写的论文“Nanostructure-based plasmon-enhanced Raman spectroscopy for surface analysis of materials”于近日发表（Article number: 16021 (2016) ）。
      表面增强拉曼光谱（SERS）在过去的40年内，主要用于检测纳米间隙中的痕量分子，以及生物分子的化学分析。SERS在材料的应用多局限在金银铜以及部分过渡金属纳米材料，而不适用于材料科学界的各类材料的表面光谱分析。
      本文通过系统深入分析了PERS应用于材料表面检测的关键科学问题，结合纳米结构在入射光激发下的周边电磁场分布的经典电动力学的大量计算，总结定义了三代PERS热点。第一代为分散在均匀介质中单个纳米颗粒产生的热点，该热点的SERS增强因子往往比较小；第二代为产生于耦合纳米结构的纳米间隙型热点，现有PERS应用主要基于第二代热点。因为一般的材料（如硅片、陶瓷）并不能“塞进”纳米间隙中，因此第二代热点常常不适用于各类材料的分析检测。本文作者在考虑纳米结构和待测材料之间的电磁场耦合作用的基础上，首次提出了具有普适性、适用于各式各样材料的表面光谱分析的第三代热点。该代热点产生于PERS活性纳米结构和待测材料构成的混合结构（hybrid structure），且主要分布在待测材料表面上。
      作者们讨论了支持第三代热点的三种典型工作模式：接触模式，如基于裸金、银纳米结构的SERS；非接触模式，如针尖增强拉曼光谱（TERS）；和壳层隔绝模式，如壳层隔绝纳米颗粒增强拉曼光谱（SHINERS）。并在对比每一种模式优缺点的基础上，评述了已经发表的为数不太多的SERS，TERS，SHINERS应用于材料表面化学分析的案例。
      最后，作者从材料学和等离激元增强光谱学这两个领域有效互动的角度，展望了包括拉曼、红外和太赫兹光谱在内的等离激元增强光谱学大家族的几个重要研究方向和研究思路。首先是如何发展新的等离激元材料以拓宽从紫外可见到中远红外的光谱范围。其次是发展支持第三代热点的新纳米结构，例如具有较强自耦合的纳米结构、具有多尺度电磁场耦合的级联式结构、支持Fano共振的纳米结构等。作者针对每一种结构都试图提出相应的关键科学问题。这些新式纳米结构对材料学中的光谱分析应用至关重要。最后展望了将新材料结合其他等离激元增强光谱技术特别是非线性光谱技术的前景。
      该工作得到国家自然科学基金委（91427304, 21533006, 21321062 and 21522508）和科技部(2015CB932300)的支持。
      论文链接：http://www.nature.com/articles/natrevmats201621
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