固体所在高效中红外光学传感材料研究方面取得重要进展

近期，中国科学院合肥物质院固体所纳米材料与器件技术研究部在超宽带金属等离激元天线的开发上取得了重要突破。相关研究成果以 “An Ultra-broadband Metallic Plasmonic Antenna for Ultrasensitive Molecular Fingerprint Identification”为题发表在Nano Letters (Nano Lett., 2024, 24, 22, 6805–6812)上。

光谱失谐是指等离激元天线的响应频率与外部施加的光谱范围不匹配时，导致信号增强效果减弱或失效的现象，该现象在中红外波段(400-4000 cm-1)普遍且无法避免。例如，在共振表面增强红外吸收(rSEIRA)模式下，金属天线的窄带宽与分子指纹振动频率无法完全匹配，导致大部分信号弱增强或者无增强，使得检测效率低下。

为此，研究团队采用了一种新型的低温孵育合成法，制备了均匀的银微米超粒子。这些微粒呈准球形，平均直径为0.97微米，表面由大量纳米间隙和纳米突触组成，被称为“热点”(图1)。通过等离激元耦合效应，该银微粒的等离激元带宽显著扩展，覆盖了整个中红外波段，成功克服了光谱失谐。进一步通过形貌优化，银颗粒的热点质量得到大幅提升。将该银微粒作为金属等离激元天线，研究团队首次在共振表面增强红外吸收模式下成功探测到了4-巯基苯甲腈的几乎完整的分子指纹光谱(图2)；进一步测量不同必需氨基酸的rSEIRA光谱，发现其在机器学习算法的辅助下展示出高光谱识别度。研究结果表明制备的银微米超粒子对分子指纹振动的全频段均能高效检测。

该研究不仅改变了对中红外金属等离激元天线“带宽窄、尺寸大但热点面积小”的惯性认知，还为超灵敏中红外光学传感材料的研发与应用提供重要指导。

上述研究得到了国家重点研发计划项目、国家杰出青年科学基金、中国科学院青年创新促进会及国家自然科学基金等项目的资助。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.4c01562

图1. 银微米超粒子的制备流程以及基础表征图：a) 银微米超粒子制备流程图；b) 银微米超粒子的消光谱；c) 银微米超粒子的低放大倍率扫描电镜照片；d) 银微米超粒子的高放大倍率扫描电镜照片；e) 银微米超粒子的透射电镜照片；f) 银微米超粒子的扫描透射电镜照片；g) 银微米超粒子的选区衍射图案；h) 银微米超粒子表面高分辨透射电镜照片。

图2. 不同形貌的银微米超粒子的红外光谱以及理论模拟：a) 银微米超粒子的形貌优化策略；b) 优化后的银微米超粒子的基础表征照片；c) 银微米超粒子的共振表面增强红外吸收光谱；d) 优化后的银微米超粒子的共振表面增强红外吸收光谱；e) 银微米超粒子的电磁场理论模拟；f) 优化后的银微米超粒子的电磁场理论模拟；g) 银微米超粒子的消光截面的理论模拟；h) 优化后的银微米超粒子的消光截面的理论模拟。