金纳米柱和金纳米管的消光光谱及近场电场分布
贵金属中的自由电子在外界入射电场的作用下受迫振动, 当电子振动频率与入射光的频率相等时,即发生表面等离子体共振(localized surface Plasmon resonance, LSPR)效应, 从而产生强烈的消光峰, 并且在金属表面产生增强的局部电场, 这些电场是表面增强拉曼散射(surface enhanced Raman scattering,SERS)一个很重要的物理解释. 金、银纳米结构已被证明能够表现出强烈的表面等离子体共振效应,并被广泛应用于表面增强拉曼散射衬底. 纳米结构的等离子体共振对其形貌、尺寸等因素非常敏感.
对于特定形貌的纳米结构, 可以通过改变其结构参数来调节其等离子体共振峰, 使得该峰处于拉曼光谱的激发波长, 从而产生更强的拉曼信号.最近, 多个研究小组发现纳米棒或者纳米线均能作为衬底, 激发强烈的表面增强拉曼信号.
纳米棒已经被证明比单纯的薄膜或者块状材料具有更好的激发表面等离子体激元的能力. Zhao等人用掠角入射的方法制备了银纳米棒阵列, 并测试了入射光偏振方向对其表面增强拉曼散射性能的影响.结果发现, 较强的拉曼信号发生在入射光偏振方向垂直于纳米棒的长轴方向. 其他小组也同样发现强拉曼散射发生在入射光电场垂直于长轴方向.
越来越多的实验和数值计算结果表明, 拥有更多角落、更多凹进的纳米结构会激发出更大面积的增强电场. 由于表面增强拉曼散射的信号强度正比于表面增强电场的四次方, 因此拥有更多角落、更多凹进的纳米结构更适合用于表面增强拉曼散射衬底. 相比于柱状纳米结构, 管状纳米结构拥有更多的表面积, 故管状纳米结构能产生更大面积的增强电场, 更适合用于表面增强拉曼散射衬底.
通常, 多孔氧化铝结构被用作模板, 应用电子束蒸发或者电化学沉积的方法将金属层沉积到模板孔洞的内表面, 利用化学溶液溶解掉模板, 就形成了管状纳米结构. Hendren等人利用电化学沉积方法制备了不同结构参数的金纳米管结构, 测试了它们的透射光谱, 并应用有限元方法计算了单个金纳米管在不同入射波长时的电场分布. 结果发现, 当其测试的等离子体共振峰波长入射时, 其表面激发电场主要分布在纳米管的外侧. 该结果表明, 由于金纳米管之间的距离很小, 该共振峰源于相邻金纳米管之间的耦合作用. 因此, 他们所测试的管状金纳米结构阵列的光学性质并没有体现出单个纳米管结构的光学性质以及结构参数对其光学性质的影响.
西南大学物理科学与技术学院熊祖洪等人应用离散偶极子近似方法计算了金纳米管结构的消光光谱及其近场电场分布, 并与金纳米柱的计算结果进行了比较. 结果发现, 当以等离子体共振峰波长入射时, 管状纳米结构拥有更大面积的强电场分布. 故管状纳米结构更适合作为表面增强拉曼散射的衬底, 用于生物分子或者化学分子的探测. 另外,还研究了纳米管结构参数对其等离子体共振峰的影响, 以调节等离子体共振峰的位置, 从而满足其在表面增强拉曼散射等等离子体光子学方面的应用.