摘要
基于金属微纳结构的表面等离激元效应由于可将入射光场的能量限制到亚波长的空间范围内，在金属表面产生局域场增强，在光催化、表面增强拉曼光谱(surface-enhancedRamanscattering，SERS)等领域有重要的应用。而这些应用的关键是如何调控金属微纳结构对光场的激发和耦合效应，得到更强的局域光场。耦合光场的增强效果是由经典电磁理论和量子效应共同决定。经典电磁理论表明随耦合结构中的间隙减小，局域电场呈指数性增长；而当间隙小到亚纳米尺度的时候，量子效应会逐渐占据主导作用，此时随着间隙的进一步减小，金属表面的自由电子会发生量子隧穿，并显著地降低耦合场强度。因而，调控金属微纳结构中的耦合效应必然会存在最优化的间隙控制，使得耦合光场达到最强。因此，调控间隙等离激元的研究具有重要的科学意义和应用价值。 首先，本论文围绕局域场调控这一科学问题，基于纳米压印等一系列特殊工艺，设计及制备出了一种间隙精确可控的柔性金属纳米手指阵列结构，并研究了其在SERS上的应用。利用这种柔性金属纳米手指阵列结构，我们提出了一种无标记的汞离子浓度SERS检测法。首先，利用硫醇化的DNA溶液在金表面孵化实现DNA吸附在金表面，在此过程中，由于溶剂的挥发导致的表面张力使得相邻的柔性纳米手指坍塌靠在一起，形成金-DNA-金的耦合结构(DNA作为间隙层)。在此结构中，DNA链中的鸟嘌呤和腺嘌呤碱基与金的亲和力较高，导致DNA长链在空间中全部贴在Au表面。当把待测汞离子溶液滴入坍塌手指结构中，DNA中的胸腺嘧啶碱基会与汞离子结合，使得DNA分子构型从平面变为垂直取向，使得胸腺嘧啶碱基的SERS信号强度降低，利用鸟嘌呤和腺嘌呤碱基两者的信号比可实现汞离子浓度检测，尤其是痕量汞离子的检测。根据两者对应的736cm-1和650cm-1的拉曼峰强度之比来定量测量溶液中的汞离子浓度，实现了汞离子浓度为10-9M到10-3M的灵敏测量，为在复杂的生物环境中检测分子提供了新的思路。 其次，研究了如何提高Al紫外等离激元光场的响应。由于铝在空气中极不稳定，尤其是低真空条件下制备的铝具有多孔特性，更容易被氧化，从而降低铝表面等离激元的响应。针对这一问题，本论文提出利用超薄四面体非晶碳膜包覆铝纳米结构增强铝在紫外波段的表面等离激元响应。通过利用在同一真空腔室中的原位溅射蚀刻和溅射沉积工艺，不但实现了铝氧化层的去除，而且通过超薄致密碳膜的包覆，提高了其化学稳定性。实验测量和仿真计算证实了这一点，为铝在紫外等离激元的应用提供了一种有效的方法。 最后，我们还研究了表面等离激元产生的热电子在可见光光催化上的应用。这里，我们探究了金纳米手指结构对可见光波段二氧化钛光催化的增强效应。一方面，我们设计的手指耦合体系可以在间隙处产生极强的局域电场增强，从而增强了光的局域态密度，增强了光与物质相互作用。另一方面，通过金与介电层构建肖特基结，金属局域等离激元共振产生的热电子会越过势垒注入到二氧化钛层，且势垒的存在会阻止热电子回溯，理论上提高了光电转换效率，可以实现增强其可见光光催化特性。
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