Undersøgelse af grænserne for plasmonisk forbedring ved hjælp af en todimensionel atomisk krystalsonde

En forskergruppe ledet af Shunping Zhang og Hongxing Xu ved Wuhan University, Kina, har udviklet en kvantitativ SERS-teknik til at sondere de maksimale plasmoniske felter, før effekter såsom elektrontunneling bliver dominerende. Forskerne henvendte sig til molybdændisulfid (MoS ₂ )-en grafen-lignende, todimensionelt atomlag til at justere afstanden mellem en guldnanopartikel og en glat guldfilm.

Plasmonisk feltforbedring er hjørnestenen i en bred vifte af applikationer, herunder overfladeforstærket spektroskopi, sansning, ikke-lineær optik, og let høst. De mest intense plasmoniske felter optræder normalt inden for snævre mellemrum mellem tilstødende metalliske nanostrukturer, især når adskillelsen går ned til subnanometer skala. Imidlertid, eksperimentelt sondering af plasmoniske felter i så lille et volumen udfordrer stadig nanofabrikations- og detektionsteknikkerne.

Måling af overfladeforstærkede Raman-spredningssignaler (SERS) fra en sonde inde i nanogap-regionen er en lovende vej til at gøre det, men metoden står stadig over for adskillige vanskelige problemer:(i) hvordan man skaber et breddekontrollerbart subnanometergab med veldefineret geometri, (ii) hvordan man indsætter nanoproben i et så snævert mellemrum, og endnu vigtigere, (iii) hvordan man kontrollerer justeringen af ​​sonden med hensyn til den stærkeste plasmoniske feltkomponent. Hvad mere er, excitationslaseren bør matche med de plasmoniske resonanser i både bølgelængde og polarisering for den maksimale plasmoniske forbedring. Disse krav er vanskelige at opfylde samtidigt i traditionel SERS, der anvender molekyler som probe.

For at overvinde alle disse begrænsninger, en forskningsgruppe ledet af Shunping Zhang og Hongxing Xu ved Wuhan University, Kina, har udviklet en kvantitativ SERS-teknik til at sondere de maksimale plasmoniske felter, før effekter såsom elektrontunneling bliver dominerende. Forskerne henvendte sig til molybdændisulfid (MoS ₂ ), en grafen-lignende, todimensionelt atomlag til at justere afstanden mellem en guldnanopartikel og en glat guldfilm. For første gang, de plasmoniske nærfeltskomponenter i vertikale og horisontale retninger inden for atomtykke plasmoniske nanokaviteter blev kvantitativt målt ved at bruge små flager af todimensionelle atomkrystaller som prober.

I deres konfiguration, forskerne kan sikre, at sonden, der er udfyldt i spalten, har en veldefineret gitterorientering, således at gittervibrationerne er præcist justeret med de plasmoniske feltkomponenter. Disse gitterprober er fri for optisk blegning eller molekylehop (ind/ud af hotspot) som i traditionelle SERS-eksperimenter. De opnåede den kvantitative ekstraktion af plasmoniske felter i nanogap ved at måle SERS-intensiteten fra fonontilstandene uden for planet og i planet i MoS ₂ .

Robustheden af ​​den 2-D atomare krystal som SERS-prober fremmer SERS til at være et kvantitativt analytisk værktøj i stedet for et kvalitativt i de fleste tidligere applikationer. Også, disse unikke designs kunne give en vigtig guide til yderligere forståelse af kvantemekaniske effekter såvel som plasmonforstærkede foton-fonon-interaktioner og fremme relevante nye applikationer, såsom kvanteplasmonik og nanogap-optomekanik.