等离激元局域腔模耦合及其表面增强拉曼效应

In this project, we mainly focus on the plasmonic coupling between cavity modes and localized plasmon modes in metal nanostructures, novel plasmon modes induced by ultrasmall nanogap in plasmonic systems, and applications on surface enhanced Raman scattering due to the localized electric field enhancement..1).Study the plasmonic coupling effect between the metallic microcavity mode and the localized plasmon mode of metal nanoparticles, and accurately control the plasmonic hybrid modes as well as the enhancement of local electric field;.2).Study the hybrid mode of metallic and dielectric oligomers, explore its relationship with near field coupling effect as well as the induced local electric field enhancement effect;.3).Study the structural symmetry breaking effect on the cavity mode and the near field coupling in the metallic microcavity composite structures, explore the new localized plasmon modes based on the symmetry breaking effect;.4).Explore metallic microcavity based large area ordered metal nanostructures with the nanogap below 10 nm to achieve effective near field coupling effect, and further to improve the efficiency and performance as surface enhanced Raman scattering substrates, which could provide a new method for solving the key scientific and technical problems in research and application process.

本项目研究金属纳米结构中的局域腔模与其它等离激元模式的耦合，超小间隙等离激元体系的新模式，以及所产生的场增强效应在表面增强拉曼方面的应用探索。.1）研究金属微腔模式与金属纳米颗粒局域等离激元模式的耦合效应，实现对等离激元杂化模式的精确调控，以及对局域电场的增强效应；.2）研究金属纳米颗粒多聚体以及介质纳米颗粒多聚体中的新型模式，及其与近场耦合效应的关系，多聚体中局域电场增强效应；.3）研究对称性破缺对金属微腔结构的腔模和对基于金属微腔复合体系中近场耦合的调控机制，以及出现新型局域等离激元模式的耦合机制；.4）探索基于金属微腔体系，具有10纳米以下间隙能实现有效近场耦合的金属纳米结构及其阵列的制备工艺，提升其作为表面增强拉曼衬底的 效率与性能，为解决应用过程中的关键科学与技术问题提供新的思路和新方法。

在该基金项目的资助下，我们研究了表面离激元局域腔模激发特性，局域等离激元共振模式的近场耦合效应，以及相应的电场分布和电磁波的传输特性，发展了金属纳米结构中局域电磁场增强的新原理、新方法。我们首先从理论上提出通过结构对称性破缺实现多重共振位置的电场局域增强的新方案，并阐述了对称性破缺的超构材料中，局域等离激元电共振低损耗和高电场增强效应。此外，我们从计算上提出了金属-石墨烯超构材料从紫外至远红外不同波段的电磁场增强的新方案，从而实现了基于超构材料的腔模共振在表面增强拉曼性能的进一步增强与改善。在实验上，我们拓展了胶体晶体模板复制以及纳米微球印刷技术在微结构金属材料制备上的应用，建立了有效的能对金属纳米结构组成单元的形貌、组分、结构等参数进行调控的方法，为等离激元特性和应用的深入研究提供丰富的研究体系。研究了基于纳米球刻印技术以及反应气体刻蚀技术实现大面积，间隙小于5 nm的表面增强拉曼衬底的制备工艺。这样的表面增强拉曼衬底具有高的拉曼增强因子值（3x1010），并且实现了对极低浓度（1x10-12M/L）的拉曼分子以及单分子的拉曼测量, 为具有高性能的表面增强拉曼芯片的实用化提供了新的实用方案。研究成果已发表SCI学术论文10篇。