纳米线—膜体系中表面增强拉曼散射和等离激元驱动表面催化反应研究

【摘要】：纳米尺度上的金属材料具有独特的物理、化学性质使得其在超灵敏传感检测、新型能源利用、新型功能结构、信息存储等方向有重要的应用前景。因此通过将物质的尺寸限制在纳米尺度范围内来研究光与物质的相互作用是纳米材料的一个重要研究领域。表面等离激元是指金属与介质的界面处的自由电子在电磁场作用下集体振荡,这种振荡元激发可视为量子化的准粒子,具有很多新颖的光学特性。随着纳米技术的快速发展以及对表面等离激元作用原理和应用研究的完善,使得表面等离激元光子学迅速发展而成的一门新学科,在物理、化学、材料、能源等方向都有广泛的应用前景。金属纳米颗粒中的自由电子受到电磁场作用时,由于纳米颗粒尺寸结构的限制,其中的自由电子只能在表面做集体振荡,称之为局域表面等离激元(localized surface plasmons,LSPs)。这种表面等离激元共振可以导致纳米结构中电磁场重分布,产生极大的电磁场增强,被广泛用在增强光谱、高灵敏分子信号检测等。表面增强拉曼散射(surface enhanced Raman scattering,SERS)正是利用金属纳米结构电磁场增强作用来增强微弱的拉曼散射信号,增强效率可达104-106甚至更高。从采集的拉曼散射信号中,可以获得探测材料的化学结构、成分、相与形态等,也可以通过分子特征峰来反映催化反应的发生与否。而纳米结构中的电磁场增强和拉曼增强效果与纳米材料类型、结构特性、几何形貌、大小等有紧密相关。本文主要基于金属纳米线-膜混合系统,利用PATP或者4NBT分子作为探测分子来研究基底材料、激发光偏振方向、耦合效率、结构对称性破缺等对表面增强拉曼散射和等离激元驱动表面催化反应的影响。实验和模拟结果均表明:由于金属膜中更多的自由电荷与纳米结构中表面电荷耦合作用,金属膜相比介质膜有更好的电磁场增强和拉曼增强效果;不同偏振激发光激发不同的等离激元模式,导致结构的拉曼增强具有偏振依赖性;纳米结构的对称性破缺可以提高表面等离激元的激发耦合效率,拥有更好的电场增强和拉曼增强效果;如单个纳米线的末端相对纳米线的中间而言,因为结构对称性破缺获得更高的光子-等离激元耦合效率,更明显的拉曼增强和分子催化反应效果;当有纳米颗粒毗邻纳米线导致结构对称性破缺也会极大提高拉曼增强效果和驱动催化反应能力。