基于杂化等离激元共振耦合的金属亚波长结构超窄多频带光透明特性及其传感研究

Plasmon resonant sensors have tremendous application prospects in biomedical diagnostics, environmental monitoring and food safety areas. In order to achieve synchronous or selective analyses of different binding events of analytes at the subwavelength scale, multi-band plasmon resonant sensing with high sensitivity (S) and figure of merits (FOM, FOM*) are more desirable. Based on our previous studies, in this project, the hybridized plasmon resonant effects are employed to realize the ultra-narrow multi-band optical transparent phenomena in the metallic nanostructures with deep subwavelength size, and the sensing performances of this structure are assessed via the detection of trace substances. The main contents in this project include: 1) study on the structural models, preparation methods of the metallic subwavelength structures and the hybridized plasmon resonance effects induced by the near-field interaction between adjacent blocks; 2) mastering the physical mechanisms of ultra-narrow multi-band optical transparency properties and the modification parameters and methods of spectrum characteristics of these metallic subwavelength structures; 3) exploration of the sensing performances of the metal subwavelength structures and their potential applications in biological and environmental sensing fields, and further optimization and improvement of the metallic subwavelength structures, and then realization of the novel multi-band sensing materials with high S, FOM and FOM*. These studies would lay the foundation for the research and applications of multi-functional, highly-integrated, multiplexing, and new-type plasmon resonant sensors.

等离激元传感在生物医学诊断、环境监测及食品安全等领域蕴藏着巨大的应用前景。而要在亚波长尺度上实现被测分子不同结合作用的同步或选择性分析检测，需发展高灵敏度（S）和高品质因子（FOM、FOM*）的多频带等离激元传感材料。本项目在已有研究基础上，提出利用杂化等离激元共振效应实现在亚波长尺度上的线宽超窄的多频带光透明金属结构，进而研究其在痕量物质等传感检测中的性能。主要内容包括：1）研究金属亚波长结构的结构模型、制备方法及近场作用诱导的杂化等离激元共振效应；2）掌握超窄多频带光透明特性的物理机制及其光谱性能的调控参数和方法；3）探索金属亚波长结构的传感特性及其在生物、环境传感领域的潜在应用，进一步优化和完善该金属亚波长结构体系，获得同时具备高S、FOM和FOM*的多频带新型传感材料。为多功能、高度集成、复用型的新型等离激元共振传感器的研究及应用奠定基础。

等离激元传感在生物医学诊断、环境监测及食品安全等领域蕴藏着巨大的应用前景。而要在亚波长尺度上实现被测分子不同结合作用的同步或选择性分析检测，需发展高灵敏度（S）和高品质因子（FOM、FOM*）的多频带等离激元传感材料。本课题的研究重点在于：1）基于FDTD和有限元法设计了具有各种形貌和结构的金属复合结构，探索和获得了具有各种新奇光学现象，如超窄单一光频带、超窄多频带的光透射/吸收/反射等等，并从理论上探索了这些新奇光学现象的可能应用。2）从理论方面深入分析了所设计结构的新奇光学现象产生的物理机理，从而确定合适的具有很高品质光学传感性能的复合结构类型。3）结合自组装法、镀膜法、退火法等制备几种具有热点高度密集的金属超材料，并利用海洋光学光谱仪、紫外-可见-近红外光谱仪、激光拉曼光谱仪和扫描电子显微镜等对这些结构的光学特性和结构形貌进行了表征，通过对比分析，确定了最佳的实验参数和结构类型，进行为更深入研究表面增强拉曼传感检测奠定基础。4）探索具有超宽频带光吸收的新型金属超表面材料，初步研究了其在光伏、光催化等领域的应用情况。通过深入研究，我们已经实现了多达6个频带且具有高品质传感特性的新型光学传感模型、具有极高灵敏检测度的SERS分子传感检测模型以及具有超宽带光完美吸收的超构材料等。发表相关研究论文30篇，其中SCI一区论文6篇，二区论文17篇。申请发明专利26项，已授权9项，获得江西省自然科学奖三等奖1项。所取得的成果有助于促进基于表面等离激元的传感检测技术，为高品质光学传感、表面增强拉曼散射传感检测等的应用提供了理论及实验依据。