科技快讯 | Advanced Materials: 纳米分形结构+等离激元=高选择性高灵敏度的挥发物质光学传感器

等离激元纳米结构的深入研究推动了光电子、光化学的发展，等离子体共振机制已广泛用于液体折射率检测的光学传感器。但目前而言，等离子体共振对气体的选择性检测还是一大难题，并且由于气体的吸附没有选择性，这将导致折射率的改变值低于检测极限。近日，研究人员发现，覆有介电TiO₂纳米粒子的等离子体表面能够加强等离激元与挥发性有机分子的相互作用，这一研究结果将为等离激元共振有效应用于气体的选择性检测打开一个新的局面。

近日，来自澳大利亚国立大学的Zelio Fusco，Renheng Bo，Antonio Tricoli. Dragomir Neshev教授、Mohsen Rahmani博士，同瑞典查尔姆斯理工大学的Mikael Käll教授、Ruggero Verre博士，以及澳大利亚昆士兰科技大学的 Nunzio  Motta教授共振等离子超表面材料的研究方面取得了新的突破，成功制备出了“TiO₂介电体分形纳米粒子+等离激元”超表面结构。据悉，该结构能够在一定范围内有效检测出气体的折射率变化，根据折射率不同，可鉴别出三种不同的挥发性有机化合物，室温下折射率的可检测极限低至8×10^-6.这一研究成果以“Nanostructured Dielectric Fractals on Resonant Plasmonic Metasurfaces for Selective and Sensitive Optical Sensing of Volatile Compounds”为题发表在Advanced Materials上。

a. 简化的纳米TiO₂-Au分形示意图，强调单个TiO₂分形的形态

    b.直径100nm、厚度40nm的Au纳米盘超表面的横截面图像

    c.TiO₂介电分形的横截面SEM图像

 d.介电分形-等离激元传感器的光学性质与TiO₂厚度的关系图

a.平均厚度为1.8μm的TiO₂分形组成的电介质薄膜SEM图像。

b.曲线斜率为分形维数（D_f = 1.75）

c.残差量化分析：150-200nm时的不均匀性最大

d.Au表面最薄和最厚分形的拉曼光谱以及锐钛矿TiO₂相的形成

a.室温下注入4vol％乙醇时Au消光光谱上出现的微小偏移

 b.当Au表面沉积有1.8μm厚的TiO₂分形时等离子体的位移增大

c.室温下，在浓度为4%体积的空气/乙醇的不同循环，Au磁盘阵列上的TiO₂分形薄膜的共振峰位置发生变化

d.在室温含4％乙醇的空气条件下，1.8μm厚的TiO2层的等离子体迁移和消光差与Au圆盘直径的关系记等离子体位移和消光差为薄膜厚度的函数，其中1.8μm厚层为最佳耦合情形

e.作为气相折射率变化函数，优化样品的检测极限对本地环境显示出非常高的敏感度

a.模拟100nm具有相互作用平面波的Au纳米盘的示意图模型

b. 横断面

c.距偶极增强电场顶部边缘Au20nm处的俯视图

d. 等离子体球体衰变与裸盘距离磁盘距离的函数关系

e. 模拟简化模型的示意图：两个纳米颗粒链（Df = 1），颗粒半径为5nm，相隔3nm，沉积在面内直径为100nm的Au盘上

f. 理想模型的横截面：链条间隙中电场增强，电场在磁盘附近弯曲并放大。

g. [ E / E0 ] ²在两个理想TiO₂链状分形间隙的中间增强：λ_LSPR处D_f= 1，距离为3nm；其中，在空气中的金纳米盘的距离（蓝线）和 4％的EtOH的距离（橙线）

h. TiO ₂纳米颗粒陡峭的折射率变化，使（g）图中的放大率显示出规则图案

i. 在空气中（蓝线）和体积4％EtOH（橙色虚线）在室温下理想模型的模拟消光截面

j.平面直径为100nm的Au盘的模拟模型示意图以及通过粒子动态模拟获得实际D_f=1.8、粒度为10nm的TiO₂团簇的示意图

k-m. 分别在距离Au盘20nm和200nm处的横截面（k）和俯视图像（l，m）

a.丙酮-空气下测定结果

b.甲苯-空气混合物：测定覆有1.8μm的TiO₂官能化到100nm Au盘阵列

c.在室温和不同浓度下，相同样品对空气/甲苯的不同循环的动态响应，显示出其具有高重复性和高灵敏度

d,e.1.8nm TiO₂沉积到100 nm磁盘阵列上的LSPR检测冷凝机制

g.不同甲苯浓度对温度的函数图像，每个温度下的LSPR偏移量与气体浓度成正比

e.冷凝速率对每种气体的影响，主要因素为蒸汽压力

研究人员另辟蹊径，通过研究介电材料在共振金属纳米结构上的集成来获得高选择性、高灵敏度的超表面光学传感器，作为耦合等离子体和光子材料的最佳手段。该研究结果为开发新型电介质-等离激元材料提供了新的思路，其应用范围可从光捕获、光催化剂扩展到非接触式传感器的开发，这项技术可应用于医学领域的无创诊断。

作者：方轲

编辑：Jane Chou、颜学俊