基于metamaterial电磁响应的高电磁场增强、高稳定性和重现性表面增强拉曼散射衬底研究

表面增强拉曼散射（SERS）是当前光谱学最活跃的研究领域，在高灵敏的单分子检测、表面催化、物理化学、材料科学和生物医学等领域具有重要应用前景。具有高电磁场增强效应的纳米金属颗粒或结构衬底是表面增强拉曼散射体系的核心，衬底的稳定性和重现性差是制约其应用的主要瓶颈。本项目基于具有特殊电磁响应的新型人工结构材料（metamaterial）的电磁响应理论来探索和研究新型SERS衬底的设计。从理论上阐明metamaterial在表面增强拉曼激发和散射波长范围的电响应与磁响应及其耦合的物理机制，获取并解释共振频率与共振强度与激发光偏振特性及单元结构参数（几何形状、尺寸）之间依赖关系，设计并制备共振频率可调控、高表面局域电磁场增强因子、高稳定性和高重现性的metamaterial-SERS衬底,并进行实验验证，为metamaterial-SERS衬底在高灵敏光谱探测的应用奠定理论和技术基础。

本项目设计了#字形、非对称双劈裂环、非对称圆环、金属/电介质/金属三明治矩型孔、金属椭球（对）/介质/金属模、金属圆环/电介质/金模、金属/电介质/金属三明治方块、双U型/金属棒、金属条/Si/光栅等阵列结构metamaterials，并研究了其光学响应与结构单元形状、尺寸及激发光偏振方向或入射方向之间的关系。分析了不同共振模的物理起源，计算了其表面局域电磁场强度分布和增强因子。在此基础上进行metamaterial-SERS衬底的设计。.#字形metamaterial存在多局域电磁场的热点分布，分别来自开口环的磁响应和金属棒的电响应模。磁模具有更大的增强和传感灵敏度。对于金、铜、银，SERS增强因子分别可达10^6-10^8。依赖于非对称度的大小，非对称双劈裂环metamaterial呈现偶极子-偶极子成键态、偶极子-偶极子和偶极子-四极子的反键态或偶极子-四极子和偶极子-六极子的成键态，偶极子-多极子成键共振比反键共振能给出更大的电磁场增强，SERS增强因子可达10^8-10^12。利用LSPR和SPP反交叉耦合可实现双或多波段完美吸收和更大的电磁场增强。对于椭球对结构和“金纳米环/金膜”结构，场增强因子分别达10^3和10^2；金属纳米棒阵列/硅膜/金属光栅结构呈现多反交叉共振耦合，使硅薄膜在太阳光谱范围吸收增强因子达170%。基于metamaterial的Fano共振效应可实现电磁场增强以及高传感灵敏度。非对称纳米环结构场增强因子高达264，品质因子达8.28；对称双U/金属棒共振器的电偶极子和磁偶极子之间干涉产生单或双Fano共振，其暗模比亮模具有更高的传感灵敏度和品质因子。金属/电介质/金属方形三明治结构可实现磁多极子共振和电偶极子共振的耦合，可实现宽带完美吸收。还研究了几种metamaterial的慢波效应、磁场增强效应等。开展了基于Metamaterial的SERS衬底的制备与相关实验研究，提出了一种低压非加热式纳米压印技术，为Metamaterial-SERS衬底的制备奠定了初步基础；开展了SERS衬底的制备和初步实验研究。.本项目在国内外核心期刊发表研究论文39篇，SCI收录18篇，EI收录8篇；授权国家发明专利2项。在本项目研究成果的基础上，本课题组段智勇副教授和范春珍讲师相继获得国家自然基金面上项目和青年基金项目各一项。