第二十四卷 第一期 - 2013年五月二十四日 PDF
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金奈米粒子對的電漿共振
林幸瑩1,2、黃貞翰1崔祥辰1,*、藍永強1、張志涵2
1國立成功大學光電科學與工程研究所
2國立成功大學醫學工程研究所
Optics Express, Vol. 18, No. 1, 165-172 (2010)
(selected into Virtual Journal for Biomedical Optics, Vol. 5, Issue 2)
 
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們研究金奈米粒子對的電漿共振的近場光學的行為。我們直接觀察到兩個球之間的局部電磁場分佈,與入射光的偏振方向和奈米粒子對的間距的關係。使用一個光纖探針收光模式的近場掃描光學顯微鏡。定性近場觀察及定量分析表面增強拉曼散射的局部熱點問題。

進一步瞭解表面增強拉曼散射過程的局部光增強作用效應,以及其電漿共振奈米光學耦合是一個根本問題。金屬奈米粒子可以影響局部表面電漿共振,可以視為一個在外在光的激發下的同調電子振盪的效應[1]。當兩個或更多的電漿共振奈米粒子距離緊密時,粒子之間的局部表面將會產生額外的耦合的振盪模式在粒子之間的區域。這種近場耦合的電漿共振的振盪模式,就是所謂的"熱點",相較於入射光場,將是一個很多數量級的光場增強效應[4]。我們利用近場光學顯微鏡技術,報告一系列直接觀察和分析的兩個耦合金奈米粒子的距離和偏振相關的光學增強效應。

金奈米粒子對的偏振相關的光學增強功能
若要研究偏振光對於金屬奈米粒子對的光學增強效應,將近場光學掃描顯微鏡的光纖探頭放在兩個奈米粒子之間的中央位置,並記錄一次每 15 度的偏振旋轉角度的近場光學信號。R表示奈米粒子的半徑,d是奈米粒子對的間距。圖一(a) 表示在不同間距下,測量到的光信號在 2R和 0.8R的間距之間的關係。插圖是奈米粒子的示意圖。

光信號強度的改變剛好對應cos2 函數。在間距 0.8R的曲線,最大的光強度落在角度為60°與240°,而最小強度落在角度為150°與330°。光強度隨入射偏振角而變化,可以發現所產生的光場是偏振光的極化方向相關。峰值和底部的值分別為,當偏振光的極化方向沿著奈米粒子對以及與其正交。2R曲線也類似於0.8R 的光學增強模式曲線。由於奈米粒子對的間距增加了 1.2R, 降低了誘導奈米粒子對的耦合作用。所以2R 曲線的光場強度振幅變化是遠低於 0.8R 案件。擬合的資料繪製極地的圖表,如圖一(b)所示。
圖 1 在不同偏振光激發下,金奈米粒子對的光學反應。(a) 歸一化的近場光學信號的間距d= 0.8R和d=2R,隨著入射光的極化角而改變。插圖: topographies 金納米粒子對。(b) 極座標圖的擬合曲線。

金奈米粒子對的偏振相關的光學增強功能
圖二、金奈米粒子的光場強度對中央的差距地區設有並行極化 (藍色曲線) 和正交偏振 (點紅線曲線) 激發。

圖二展示各種奈米粒子對的不同間隙距離下,所激發的近場光強度。在縱座標是相對的光信號和在橫座標是納米粒子間隙距離,而紅色線與藍色線分別代表了光的偏振方向是平行和正交。最強的光強度是當偏振光的極化方向沿著奈米粒子對,隨距離減少而強度增加。當奈米粒子對的距離超過 75 nm,其耦合作用的光強度幾乎不存在了。由於距離是足夠大,對光學系統而言,已經將奈米粒子對轉換為兩個獨立單粒子系統。其中沒有耦合作用 光增強效果,也沒有偏振相關性。

當入射光的偏振方向與奈米粒子對並行時,耦合光場強度隨著距離的減少而大幅增加。因此,局部的耦合相互作用和奈米米粒子對的電磁場分佈,同時受入射光的偏振方向與奈米粒子對的間距影響。偏振和距離相關的耦合效應可以用來設計表面電漿共振模式的空間分佈和生成熱點,對於奈米光子元件或超靈敏感測器應用,有相當助益。此外,這種結果協助我們進一步瞭解在表面增強拉曼散射過程中的局部熱點場分佈。

參考文獻:
  1. C. H. Huang, H. Y. Lin, H. C. Chui, Y. C. Lan, and S. W. Chu, “The phase-response effect of size-dependent optical enhancement in a single nanoparticle,” Opt. Express 16, 9580 (2008).
  2. P. Nordlander, C. Oubre, E. Prodan, K. Li, and M. I. Stockman, “Plasmon hybridization in nanoparticle dimers,” Nano Lett. 4, 899-903 (2004).
  3. H. Xu, J. Aizpurua, M. Käll, and P. Apell, “Electromagnetic contributions to single-molecule sensitivity in surface-enhanced Raman scattering,” Phys. Rev. E 62, 4318-4324 (2000).
  4. Z. B. Wang, B. S. Luk’yanchuk, W. Guo, S. P. Edwardson, D. J. Whitehead, L. Li, Z. Liu, and K. G. Watkins, “The influences of particle number on hot spots in strongly coupled metal nanoparticles chain,” J. Chem. Phys. 128, 094705 (2008).
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