離激元納米結(jié)構(gòu)與光子、分子、等離子間的相互作用

表面等離激元（Surface Plasmon）指金、銀等納米結(jié)構(gòu)中的類(lèi)自由電子被入射光激發(fā)而發(fā)生集體振蕩，進(jìn)而產(chǎn)生增強(qiáng)的局域光電場(chǎng)（也稱(chēng)為“熱點(diǎn)”）。而當(dāng)分子處于熱點(diǎn)時(shí)，其光學(xué)響應(yīng)將被極大的增強(qiáng)，從而產(chǎn)生等離激元增強(qiáng)拉曼散射、增強(qiáng)吸收、發(fā)射等一系列等離激元增強(qiáng)光譜效應(yīng)。

然而，除了增強(qiáng)光譜信號(hào)之外，光子、分子、等離激元納米結(jié)構(gòu)這三者間的復(fù)雜相互作用，還會(huì)使光譜線型發(fā)生畸變。特別是在等離激元增強(qiáng)紅外吸收光譜（也稱(chēng)表面增強(qiáng)紅外吸收光譜，SEIRA）中，分子振動(dòng)躍遷與紅外等離激元躍遷的Fano干涉作用導(dǎo)致SEIRA光譜常出現(xiàn)Fano線型等非對(duì)稱(chēng)復(fù)雜光譜線型（圖A），造成難以從實(shí)驗(yàn)SEIRA光譜中準(zhǔn)確讀取待測(cè)分子的本征振動(dòng)頻率和紅外吸收強(qiáng)度。

在過(guò)去的研究中，研究者往往聚焦于能量解諧（energy detuning，即分子振動(dòng)吸收能量與等離激元共振能量的差）或等離激元損耗對(duì)SEIRA光譜的調(diào)控，而尚不清楚分子-等離激元近場(chǎng)耦合作用的本質(zhì)，及其調(diào)控SEIRA光譜線型的物理機(jī)制。

最近，廈門(mén)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)（易駿博士、尤恩銘博士生、丁松園副教授（通訊作者）和田中群教授）在《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review，NSR） 發(fā)表理論研究論文，系統(tǒng)發(fā)展了分子振動(dòng)-紅外等離激元的耦合強(qiáng)度調(diào)控SEIRA光譜線型的理論。

（A）隨著分子振動(dòng)-等離激元耦合強(qiáng)度增大，SEIRA線型依次變化：正常Lorenz線型（i），F(xiàn)ano雙極峰（ii），F(xiàn)ano倒峰（iii），F(xiàn)ano倒峰展寬（iv），F(xiàn)ano倒峰中出現(xiàn)新峰P‘（v）；（B）熱點(diǎn)區(qū)分子（與等離激元耦合因子為Vi）與非熱點(diǎn)區(qū)分子（與等離激元耦合因子為Vo）發(fā)生等離激元輔助的分子-分子長(zhǎng)程相干相互作用（耦合因子為Vint），從而導(dǎo)致P’峰的出現(xiàn)。

他們發(fā)現(xiàn)，這種耦合作用的屬性為偶極-偶極相互作用，耦合強(qiáng)度隨著分子-等離激元納米結(jié)構(gòu)距離的變大而變?nèi)?，而SEIRA光譜線型由Fano倒峰變?yōu)镕ano雙極峰（圖A-ii，iii）。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)分子密度超過(guò)某一臨界值時(shí)，分子振動(dòng)-等離激元發(fā)生強(qiáng)耦合，導(dǎo)致SEIRA譜的Fano倒峰（dip）背景上出現(xiàn)新的譜峰P‘（圖A-v），且該峰隨分子密度增大而發(fā)生紅移。
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