等離子體納米結(jié)構(gòu)的光譜成像

背景

Adi Salomon 教授的實(shí)驗(yàn)室主要致力于了解納米級(jí)分子與光的相互作用，并構(gòu)建利用光傳感分子的設(shè)備。該小組設(shè)計(jì)并制造了金屬納米結(jié)構(gòu)，并利用它們通過(guò)與表面等離子體激元的相互作用來(lái)影響納米級(jí)的光。這些等離子體裝置根據(jù)納米粒子的尺寸、形狀和排列以及光的能量，將光增強(qiáng)并聚焦到深亞波長(zhǎng)體積中。靠近這些熱點(diǎn)的分子可以經(jīng)歷強(qiáng)烈的相互作用，從而改變其物理特性并增加信號(hào)響應(yīng)，例如在表面增強(qiáng)拉曼散射中。

實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)項(xiàng)目研究了金屬表面三角形納米空腔的光傳輸?shù)念伾蛷?qiáng)度。通過(guò)改變兩個(gè)腔體之間的距離或控制入射場(chǎng)(光)的偏振態(tài)，可以精確控制光的顏色。所羅門(mén)實(shí)驗(yàn)室使用金屬薄膜中銑削的不同組腔來(lái)研究分子過(guò)渡態(tài)和等離子體模式之間的混合模式，以改變相互作用強(qiáng)度。

使用等離激元結(jié)構(gòu)，所羅門(mén)實(shí)驗(yàn)室還利用等離激元結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)控制光的二次諧波產(chǎn)生(SHG)。SHG 非常適合探測(cè)表面上的分子薄層以及表面上發(fā)生的分子事件。由于二次諧波的發(fā)生必須打破反演對(duì)稱(chēng)性，因此觀察到的信號(hào)來(lái)自金屬表面，而不受基材主體的干擾。

挑戰(zhàn)

所羅門(mén)實(shí)驗(yàn)室使用各種光譜方法來(lái)表征納米結(jié)構(gòu)，例如陰極發(fā)光、透射和反射光譜。光譜學(xué)提供有關(guān)電場(chǎng)熱點(diǎn)位置、共振位置以及由于光偏振和設(shè)備設(shè)計(jì)變化而產(chǎn)生的變化的信息。然而，重要的是收集這些數(shù)據(jù)作為具有足夠空間分辨率的位置的函數(shù)。光譜信號(hào)可以通過(guò)掃描表面上的每個(gè)點(diǎn)來(lái)獲得，但速度相當(dāng)慢且效率低。因此，所羅門(mén)實(shí)驗(yàn)室正在使用透射光譜的光譜成像方法，其中跨等離子體結(jié)構(gòu)的樣品區(qū)域被投影到光譜儀入口狹縫上。

光譜分辨率也是一個(gè)重要的考慮因素，特別是在考慮分子光譜時(shí)。雖然由于表面等離子體激發(fā)的壽命短，等離子體傳輸峰具有較寬的寬度，但在觀察與分子的相互作用時(shí)，分子光譜中的精細(xì)結(jié)構(gòu)包含有關(guān)與電磁場(chǎng)的光譜耦合的信息。

IsoPlane 和 PIXIS 相機(jī)是我們實(shí)驗(yàn)室用于表征等離子體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵裝置之一的一部分。IsoPlane 使我們能夠進(jìn)行無(wú)像差的光譜成像，因此可以更輕松地識(shí)別等離子體表面上的熱點(diǎn)。

解決方案

Salomon 實(shí)驗(yàn)室實(shí)施了像差校正光譜儀(IsoPlane SCT-320和PIXIS 1024 相機(jī))在他們的光譜成像顯微鏡設(shè)置中。該系統(tǒng)旨在最大限度地減少或消除限制更傳統(tǒng)的車(chē)爾尼-特納光譜儀設(shè)計(jì)的光學(xué)像差。減少像差可提高光譜分辨率和靈敏度，并減少尖銳光譜線的失真，因?yàn)樾盘?hào)聚焦在焦平面中較小的區(qū)域。同時(shí)，無(wú)像差設(shè)計(jì)提高了空間分辨率，因?yàn)閬?lái)自樣品上不同點(diǎn)的光譜在探測(cè)器上得到了更好的分辨率。使用光譜成像方法可以更精確、更快速地表征等離子體結(jié)構(gòu)中電磁場(chǎng)熱點(diǎn)的空間位置和結(jié)構(gòu)。

審核編輯 黃宇