超薄类金刚石膜包覆金属微纳结构的奇异的表面等离激元特性及引发的表面增强拉曼散射

目前研究表明，较厚介电层包覆金属微纳结构的表面等离激元最强电场主要局域在介电层内，使得位于其附近光学过程（如表面增强拉曼，SERS）的增强效率较低。本项目将首先研究超薄类金刚石(Diamond-like Carbon, DLC)介电薄膜包覆金属微纳结构的表面等离激元特性。拟通过降低薄膜厚度（低至埃级）来释放介电层中的最强电场至外表面，提高光学过程的增强效率，并通过数值分析建立相应的物理模型。其次将研究超薄DLC/金属微纳结构在SERS中增强效应及其环境稳定性评估，解决SERS应用中面临的金属衬底（特别是Ag）最大增强因子与环境稳定性之间的矛盾；并开展DLC及其极性元素掺杂与生物分子的化学键连特性、DLC/金属微纳结构的热稳定研究，为SERS的实际应用提供具有原创性的新原理和新方法。这种超薄DLC/微纳结构体系所具有的奇异特性及热稳定性也将促进非线性光学及纳米集成光学的研究。

基于表面增强拉曼技术（SERS）在生物分子的检测中的重要应用前景。本项目提出利用超薄类金刚石薄膜包覆金属微纳结构来实现SERS，具体见下。首先，由于类金刚石薄膜(DLC)超薄、致密、生物相容性好，实现基于Ag增强衬底的化学稳定性和生物相容性，由于Ag衬底可工作在可见光波段且增强效果比Au高两个数量级，这对于Ag增强衬底的实用化有重要意义。第二，通过降低DLC薄膜至1nm，发现超薄DLC包覆的金属纳米核壳粒子的最强增强电场不再位于金属/介电界面，而是转移到DLC薄膜的外表面，使得最强增强电场能够被利用来增强拉曼信号。利用Mie散射理论，对这种释放机理进行了研究，发现释放现象只与DLC的厚度有关，而金属纳米粒子的尺寸、激发波长无关。从物理机制上，我们认为DLC相当于一个势阱，可束缚光子，当DLC越薄时，势阱的深度变浅，光子有更高的几率运动到DLC外表面，因此，这种释放现象主要与DLC的厚度相关。这两方面的解决，使得基于超薄DLC薄膜包覆的金属纳米结构成为合适的SERS衬底。第三，通过等离子体选择性刻蚀，发展了低成本、高产量的金属微纳结构的制备，结合DLC薄膜技术，得到了可实用化的SERS衬底。最后，对于Au纳米结构，研究了增加过渡层Si来提高类金刚石薄膜与Au结合力差的问题，并优化了Si层厚度，实现DLC薄膜包覆金属微纳结构在SERS中的实际应用问题。.我们圆满完成了基金书中所列的内容并解决了相关的关键科学问题。借助于本项目，合作培养研究生3 人， 在国际SCI-Top期刊上发表论文6篇。本国家自然基金项目资助所发表的论文见下：.1..H.Y. Lu et al. Optics Express 22, 11698(2014)..2..F.X. Liu et al, Scientific Reports 4, 4494(2014)..3..F.X. Liu et al, Nanotechnology 25, 125703 (2014)..4..F.X. Liu et al, Surface & Coating Technology 235, 117(2013)..5..F.X. Liu et al, Journal of Raman Spectroscopy 44, 393(2013)..6..C.J. Tang et al, Optics Express 21, 117