基于電-磁耦合模式的表面等離激元手性機理研究.pdf

1、手性（Chirality）在自然界中幾乎無處不在，它遍及生命化學等現(xiàn)代科學研究的各個領域。對于地球上大部分生物而言，手性藥物分子的構型不同往往具有不同的生理毒性和活性，因此對手性信號的檢測及手性分子的識別和分離是生物制藥、有機化學、高分子材料及藥物化學等領域的研究重點和熱點。然而自然界手性分子對入射光的響應非常弱且其響應波段局限于紫外光波段，這就極大地限制了它的有效應用。隨著納米技術和表面等離激元科學的發(fā)展，科學家們研究發(fā)現(xiàn)利用表面等離

2、激元的局域增強效應可以大大地增強圓二色響應（CD）及產(chǎn)生超手性場，并能將響應拓展到可見光及近紅外波段。表面等離激元共振對金屬納米結(jié)構的形狀、尺寸、材料及所處環(huán)境非常敏感，從而具有很強的可調(diào)諧性。因此基于表面等離激元手性響應的研究倍受研究者們的重視。
　　為此，本論文針對表面等離激元手性光學研究中的熱點和難點問題進行初步的基礎性研究。本文采用電磁耦合模式定量分析了非固有手性表面等離激元的手性響應機理，對橢球耦合模型進行了解析分析；對

3、矩形劈裂環(huán)進行雜化模式分析及半解析分析；采用耦合偶極模型定量分析了固有手性表面等離激元的手性響應，并通過多個三維手性結(jié)構證明解析模型的正確性；研究納米米二聚體的Fano共振及其協(xié)助增強表面等離激元CD響應，劈裂環(huán)和納米米二聚體在超手性場、遠場中的傳感特性等，得到以下主要結(jié)論：
　?、倮秒?磁耦合模式對非固有手性表面等離激元的手性機理進行了詳細的分析，引入電偶極子和磁偶極子相互作用的耦合偶極模型，結(jié)合電磁耦合過程中產(chǎn)生的混合電磁極

4、化率對非固有CD響應進行定量分析。設計非對稱的矩形劈裂環(huán)模型，利用有限元數(shù)值分析方法證明耦合偶極模型的正確性。通過雜化分析，發(fā)現(xiàn)電偶極子和磁偶極子的相互作用引起了兩個混合作用模式，這和解析模型的結(jié)果完全吻合。研究表明，隨著矩形劈裂環(huán)的不對稱性增加，表面等離激元CD響應也隨之增強；而當劈裂環(huán)的厚度不斷增加時，偶極CD響應明顯增強，當厚度增加到60 nm時，低階膜出現(xiàn)明顯的圓偏振選擇性。
　?、陬惐仁中苑肿拥氖中皂憫獧C制，分析發(fā)現(xiàn)三維

5、固有手性表面等離激元納米結(jié)構的手性響應主要來自于電-磁模式的強烈相互作用，其 CD響應可以通過電磁混合極化率進行定量分析；將電磁耦合模型用來分析經(jīng)典的 Born-Kuhn模型，發(fā)現(xiàn)基于FEM通過解析模型計算的CD譜與消光差值譜基本一致。在此基礎上，還將解析模型用以分析多個已有的三維手性模型，發(fā)現(xiàn)對于低階峰，吻合得非常好。
　?、劾肁u-Ag納米米二聚體在入射光的斜入射激發(fā)下獲得強烈的Fano共振和CD響應。當二聚體材料相同時，沒

6、有CD響應，但在長軸方向因相位延遲效應，產(chǎn)生Fano共振。當二聚體由Au和Ag兩種材料組成時，由于相對于其它電介質(zhì)有更多的自由電子，因此有更強Fano共振和CD響應。通過改變兩個納米米之間的間距，發(fā)現(xiàn)隨著間距的增加，兩顆粒之間的耦合變?nèi)?，相應的Fano共振減小， Fano共振非對稱因子（絕對值）隨之減小，同時，相應的CD響應也隨之減弱。隨著納米顆粒尺寸的增加，CD信號強度明顯增加，特別是對應的高階模式，且所有的峰位相對紅移。而當長軸不變

7、，使短軸不斷減小，即縱橫比不斷增加時，F(xiàn)ano共振隨之減弱，對應的非對稱因子（絕對值）也不斷減小，進一步使CD響應也隨之減小。
　?、墚?Au-Ag納米米二聚體所處環(huán)境介質(zhì)的折射率從1.1增加到1.4時，CD譜的峰位不斷紅移?？紤]其中較強的三個CD峰，其FOM值分別為6.1-6.8，11.9-12.4和20.7-21.6，F(xiàn)OM值遠遠大于一般傳感器的傳感因子。同時相對表面等離激元共振的峰移和Fano共振的峰移都大很多，峰寬卻明顯變

8、小。根據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，在近紅外區(qū)域CD峰的FOM值是對應的Fano峰的FOM值的5倍左右，其它區(qū)域峰值的FOM值和Fano峰的FOM值差不多。
　　⑤分析矩形劈裂環(huán)超手性場分布，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構在劈裂間隔處有明顯的左旋偏光和右旋偏光手性選擇性。劈裂環(huán)的上面間隔處以1610 nm，840 nm的RCP激發(fā)時手性場有明顯增強，而以LCP激發(fā)時在1080 nm，840 nm兩個波長處手性場明顯增強。下面劈裂處手性場在1080 nm處RCP激發(fā)下和