以具有亚10纳米缝隙的共轴零模谐振器实现高对比度红外吸收谱

红外光谱技术由于其具有无损、无标记和指纹图谱的特点，在很多领域起到重要作用。但是对于中红外辐射的波长而言，分子震动的吸收截面非常小，导致分子在中红外光谱的吸收信号非常弱。特别是对自组装单层膜或者生物分子膜这类薄膜，中红外吸收谱信号更加微弱。基于此，A. Hartstein从1980年开始发展了一种称为表面增强红外吸收（SEIRA）谱的技术，表面等离激元将中红外光局域在金属表面，从而使金属表面附近的分子吸收谱有104-107的增强。目前，大量的SEIRA研究集中在以纳米棒天线和金属膜上的亚波长栅孔这两种结构上。但是，电磁波的热点只局域在纳米棒天线的两端，造成仅仅少量处于金属纳米棒的分子才能得到信号增强，而亚波长栅孔或者狭缝可以使缝隙内分子均匀获得增强。当栅孔或狭缝的尺寸进一步缩小，中红外电磁辐射的局域效应和场增强效果将得到很大的提高。美国明尼苏达大学的Daehan Yoo等人利用投影式光刻技术、金属蒸镀与原子层沉积相结合的方法制备了缝隙宽度只有7纳米的圆环形栅孔。这种共轴的结构满足零阶Fabry-Perot谐振模式，使得只有5纳米厚的蚕丝蛋白质膜可以吸收高达58%的透射光，表明该结构对中红外光具有对应高达105的增强因子。该工作采用的工艺可以大批量制备具有亚10纳米的谐振器，因此具备批量生产SEIRA基底的潜力。近期，该项工作发表在Nano Lett. 18, 1930-1936(2018)。

相关链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.7b05295

图1.为共轴零阶模谐振器的抛面结构；右图为蚕丝蛋白质的表面增强红外吸收谱图。