倾斜纳米结构的等离子体共振效应

论文信息：

T. Jeong, S. Kim, S. Kim, M. Shin, A. Gliserin, T. Kang, K. Kim and S. Kim, Three-dimensional surface lattice plasmon resonance effect from plasmonic inclined nanostructures via one-step stencil lithography. Nanophotonics, 2024.

论文链接：

https://doi.org/10.1515/nanoph-2023-0755

研究背景

等离子体纳米结构可以在亚波长尺度上操纵光场。这些纳米结构提供的局部场增强和环境敏感的共振特性对生物和化学传感具有重要意义。由于表面晶格等离子体共振(surface lattice plasmon resonance, SLR)具有比局域表面等离子体共振(surface plasmon resonance, LSPR)更高的品质因子(Q)，因而近年来引起了广泛的研究兴趣。这种优势可以通过使用非对称的3D结构阵列来进一步增强，因为低高度结构阵列的模式体积增加，导致更强的耦合。基于此，研究人员利用商用TEM栅格模板光刻技术制作了三维倾斜结构的等离子体超表面，电子束角度蒸发制备的三维倾斜结构打破对称，增加了超表面的极化率和衍射散射辐射场的方向性，从而导致了SLR模式耦合，其Q因子为101.6，超过了大多数LSPR系统的性能(Q < ~ 10)。这为制造高灵敏度的等离子体超表面开辟了道路。

研究内容

图1为倾斜结构的等离子体超表面的结构示意图。各线偏振态的反射光谱如图1b所示，由偏振敏感(星号)和非敏感(圆号)共振波长组成。为了更好的理解，研究人员探索了倾斜结构的电场分布，偏振不敏感特性是由于在结构的圆形底部诱导了多模LSPR，表现出四极表面等离子体共振，共振波长范围较窄。在偏振敏感波长处，电场矢量平行于结构的倾斜方向，在结构的底边形成一个非对称的多模LSPR，衍射场与结构周围的多模LSPR耦合产生更大的SLR。当线偏振相对于结构倾斜方向由平行变为垂直时，诱导的多模LSPR变弱。这一结果表明，倾斜结构的对称打破几何导致入射光的线偏振状态来控制耦合效应的强度。

图1.等离子体超表面结构示意图及其光学响应原理示意图

通过上述的理论分析和仿真工作总结后，研究人员利用透射电镜栅格模板光刻技术制备三维倾斜纳米结构。采用图2所示的实验装置对所制备的倾斜纳米结构阵列的光学特性进行了表征。得到的结果与数值计算结果非常吻合。

图2.制备纳米结构阵列的光学表征

当目标生物分子与固定在表面的受体反应时，无标签光学生物传感监测随生物结合发生折射率变化。在生物结合过程中，表面的局部折射率会上升。通过静电模型可以分析等离子体共振随环境折射率变化的位移。折射率灵敏度和优良率(FOM)参数已被用于评估LSPR和SLR系统在生物应用中的性能。图3为研究了三维倾斜结构阵列的环境折射率灵敏度。当折射率(n)范围以0.1的步长从n = 1.4到n = 1.5，反射光谱的共振倾角波长随着折射率的增加而发生明显的红移。设计的结构阵列的折射率灵敏度为291 nm/RIU。此外，在n = 1.5的折射率环境下获得了约44.7的FOM值和约101.6的Q因子。这个结果表明，灵敏度大约比大多数LSPR系统高10倍。

图3.三维倾斜结构阵列的环境灵敏度

结论与展望

总之，研究人员展示了在商用TEM栅格模板光刻技术制作的三维倾斜纳米结构阵列上的等离子体晶格耦合，以及它们在具有高q因子、FOM和折射率灵敏度的生物传感应用方面的潜力，并且已经被实验证实。该技术有望在纳米光子和光学生物传感应用的发展中发挥重要作用。

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