近期，中國科學院合肥物質院固體所納米材料與器件技術研究部在超寬帶金屬等離激元天線的開發上取得了重要突破。相關研究成果發表在Nano Letters上。

光譜失諧是指等離激元天線的響應頻率與外部施加的光譜范圍不匹配時，導致信號增強效果減弱或失效的現象，該現象在中紅外波段(400-4000 cm^-1)普遍且無法避免。例如，在共振表面增強紅外吸收(rSEIRA)模式下，金屬天線的窄帶寬與分子指紋振動頻率無法完全匹配，導致大部分信號弱增強或者無增強，使得檢測效率低下。

為此，研究團隊采用了一種新型的低溫孵育合成法，制備了均勻的銀微米超粒子。這些微粒呈準球形，平均直徑為0.97微米，表面由大量納米間隙和納米突觸組成，被稱為“熱點”(圖1)。通過等離激元耦合效應，該銀微粒的等離激元帶寬顯著擴展，覆蓋了整個中紅外波段，成功克服了光譜失諧。進一步通過形貌優化，銀顆粒的熱點質量得到大幅提升。將該銀微粒作為金屬等離激元天線，研究團隊首次在共振表面增強紅外吸收模式下成功探測到了4-巰基苯甲腈的幾乎完整的分子指紋光譜(圖2)；進一步測量不同必需氨基酸的rSEIRA光譜，發現其在機器學習算法的輔助下展示出高光譜識別度。研究結果表明制備的銀微米超粒子對分子指紋振動的全頻段均能高效檢測。

該研究不僅改變了對中紅外金屬等離激元天線“帶寬窄、尺寸大但熱點面積小”的慣性認知，還為超靈敏中紅外光學傳感材料的研發與應用提供重要指導。

上述研究得到了國家重點研發計劃項目、國家杰出青年科學基金、中國科學院青年創新促進會及國家自然科學基金等項目的資助。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.4c01562

圖1. 銀微米超粒子的制備流程以及基礎表征圖：a) 銀微米超粒子制備流程圖；b) 銀微米超粒子的消光譜；c) 銀微米超粒子的低放大倍率掃描電鏡照片；d) 銀微米超粒子的高放大倍率掃描電鏡照片；e) 銀微米超粒子的透射電鏡照片；f) 銀微米超粒子的掃描透射電鏡照片；g) 銀微米超粒子的選區衍射圖案；h) 銀微米超粒子表面高分辨透射電鏡照片。

圖2. 不同形貌的銀微米超粒子的紅外光譜以及理論模擬：a) 銀微米超粒子的形貌優化策略；b) 優化后的銀微米超粒子的基礎表征照片；c) 銀微米超粒子的共振表面增強紅外吸收光譜；d) 優化后的銀微米超粒子的共振表面增強紅外吸收光譜；e) 銀微米超粒子的電磁場理論模擬；f) 優化后的銀微米超粒子的電磁場理論模擬；g) 銀微米超粒子的消光截面的理論模擬；h) 優化后的銀微米超粒子的消光截面的理論模擬。