ナノギャップ金属構造が示す光電場増強機構の解明

阐明纳米间隙金属结构的光电场增强机制

基本信息

批准号：
18850001
负责人：
上野貢生
金额：
$ 1.68万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (Start-up)
财政年份：
2006
资助国家：
日本
起止时间：
2006 至 2007
项目状态：
已结题

项目摘要

ガラス基板上に電子線リソグラフィー/リフトオフ技術により、可視域から近赤外領域にプラズモン共鳴バンドを有する金ナノ構造の作製を行った。作製した金ナノ構造は、縦方向と横方向の長さが同じ(アスペクト比:1,厚みは40nmと一定とした)で、構造のサイズのみ10nm(一辺)ずつ変化させることにより、単一ピークのプラズモン共鳴スペクトルが約20nmずつ波長シフトする設計とした(構造サイズが大きくなると、共鳴スペクトルは長波長シフト)。作製した構造体に、センター波長800nmのフェムト秒レーザービーム(〜10μW)を集光照射し、得られた金構造からの2光子励起発光強度を計測した。金2光子励起発光強度は、構造のサイズが140nmの時に最大となり、金ナノ構造の厚みを30,20,10nmと薄く設定して作製すると、発光強度が最大となる構造体のサイズが、120nm,80nm,60nmと小さくなることが明らかになった。これは、金ナノ構造の厚みが薄くなると、プラズモン共鳴波長は長波長シフトすることから、構造サイズが小さい構造において光電場増強がより大きく誘起されたものと考えられる。以上の結果から、金2光子励起発光強度は、入射レーザー光の波長とプラズモン共鳴スペクトルのピーク波長が一致するときに最大となることが明らかになった。一方、表面増強ラマン散乱(SERS)強度は、入射レーザー光の波長では最大とならずに、散乱光波長と入射光波長の中間にプラズモン共鳴バンドを有する金ナノ構造体で最大となることが明らかになった。これまでのSERS分光法に関する理論的研究から、SERS強度は入射光電場強度だけではなく、散乱光輻射場における電磁的な増強効果においてもシグナルが増大することが示唆されているが、本研究では実験的に散乱光の輻射効率がSERS強度に及ぼすことを明らかにすることに成功した。

通过电子束光刻/剥离技术在玻璃基板上制备了在可见光到近红外区域具有等离激元共振带的金纳米结构。制备的金纳米结构在垂直和水平方向上具有相同的长度（纵横比：1，厚度恒定为40 nm），并且通过仅改变结构的尺寸10 nm（一侧），可以得到单峰设计使得等离激元共振光谱的波长偏移约20 nm（随着结构尺寸的增加，共振光谱向更长的波长偏移）。用中心波长为 800 nm 的聚焦飞秒激光束 (~10 μW) 照射所制造的结构，并测量所得金结构的双光子激发发射强度。当结构尺寸为140 nm时，金双光子激发发射强度达到最大值，当金纳米结构制备成30、20和10 nm的较薄厚度时，发射强度最大的结构尺寸达到120 nm。，80nm，60nm。这被认为是由于随着金纳米结构的厚度变薄，等离激元共振波长移向更长的波长，因此在更小的结构中更大程度地引起光电场增强。上述结果表明，当入射激光的波长与等离激元共振光谱的峰值波长匹配时，金双光子激发发射强度达到最大值。另一方面，很明显，表面增强拉曼散射（SERS）强度在入射激光的波长处没有达到最大值，但在具有介于散射光和入射光的波长。先前关于SERS光谱的理论研究表明，SERS强度的增加不仅由于入射光电场的强度，而且还由于散射光辐射场中的电磁增强效应，但在本研究中，我们通过实验成功地阐明了散射光辐射效率对SERS强度的影响。