前沿 | 等离子体“机缘”耦合与光场调控

研究背景

      近几十年来，基于等离子体效应的微纳结构受到了广泛关注，其与孤立的金属纳米粒子相比具有显著的电场局域增强优势。可进行光场调控的等离子体纳米结构目前已被应用于生物学、成像、医学和光子学等多个领域，包括表面增强拉曼光谱（surface-enhanced Raman spectroscopy，SERS）、表面增强红外吸收、荧光成像等。具有等离子共振的金属纳米结构，其中自由电子与传播的光波共振振荡所具有的不同特征取决于结构的大小和形状及其所用材料。例如，偶极子天线可以发射和接收射频辐射，在谐振频率处，感应电场和磁场增强。在宏观尺度上，当偶极子天线结构的尺寸为λ/2时会发生这种共振，其中λ是入射光波长。然而，在纳米尺度上，与波长λ辐射发生共振的材料尺寸取决于材料本身的性质。因此，必须调谐偶极子纳米天线以将自由传播的辐射场转换为局部能量。此外，蝴蝶结纳米天线利用表面等离子体共振（surface plasmon resonance，SPR）调控增强纳米缝隙中的电场。在等离子体纳米结构中最有效的现象是电磁共振，其中金属层中的自由电子以与入射辐射相同的频率振荡。因此，如何将具备等离子体效应的不同结构有效结合起来以共振调控光学信号仍需要进一步研究，这将有助于检测到无法区分的微弱信号，提高光学成像系统的空间分辨率。

论文导读

      近日，韩国国立釜山大学（PNU）、ESPn医疗以及釜山外国语大学的学者们，研究了金属基等离子体纳米结构（metal-based plasmonic nanostructure，MPN）来耦合电场实现光场调控，以提高光学成像系统的空间分辨率。基于偶极子纳米天线（dipole nanoantenna，DN）和光栅纳米结构（grating nanostructure，GN）理论设计了等离子体纳米结构，该结构基于SPR和各结构中电场的耦合与增强，可调控特定光信号并将其放大2.24倍。此外，当MPN应用于两个光学成像系统时，通过功能性近红外光谱技术（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）将光学信号放大106倍，就能分辨出原来与噪声相似的难以分辨的信号，从而获得更清晰的图像，并在荧光图像中增强特定波长。因此，这种纳米结构的提出增加了收集数据的效用，并可以调控增强光学、生物成像和生物学应用中的光学信号。

      相关成果以“Electric field enhancement of coupled plasmonic nanostructures for optical amplification”为题，于2023年2月8日发表在PhotoniX上。

主要研究内容

      该研究团队针对近红外（near-infrared，NIR）范围内的光信号调控问题，利用DN、蝴蝶结纳米结构（bowtie nanostructure，BN）和GN理论设计并合成了MPN用于研究光放大。首先仿真优化所提出的纳米结构，验证了耦合电场对图像光信号的增强作用。其中设计的MPN由三个部分组成：等离子体部分（PP）、水平部分（HP）和垂直部分（VP）。如前所述，等离子体效应涉及金属中的自由电子与入射光共振振荡，通过共振匹配电子振动和入射光波矢量来增强电场。纳米结构的VP是根据DN的设计以调控特定波长，其中DN通过结构共振来增强电磁波。此外，HP将电场集中在纳米结构晶胞的中心。通过有限元法（finite element method，FEM）仿真表明当激光入射角度为30°时，MPN电场增强是DN和GN的15倍，电场基本都集中在结构中心，增益达到31.826 V/m，其远场增益为1137.8。该文所述的MPN是通过结合带式光刻和纳米压印光刻（nanoimprint lithography，NIL）制备的，利用电子束光刻技术进行图案化，将Ag薄膜沉积到已进行表面处理的Si模具上以制备MPN。紧接着该团队对MPN进行等离子体效应实验测试（如图1所示），以共振入射角为30°的785 nm激光波长入射，MPN所调控的光场强度比原始激光强度高2.24倍。相较于fNIRS成像系统，MPN可以区分大脑深层信号与噪声信号，并实现特定波长调控增强的荧光图像，提高成像分辨率。MPN增强图像分辨率的实验研究证实该纳米结构比原始信号更准确地检测到0.19478 cm，有效解决了由于原始信号微弱而不能很好地检测到距离的问题。

技术突破

      为了提高图像的分辨率，必须对光信号进行放大，并去除噪声。该文巧妙地设计了偶极子和光栅纳米结构耦合等离子体纳米结构，如图2所示。首先使用FEM仿真优化了所提出的MPN，以确定使用该纳米结构产生的电场增强、远场增益和各个结构的共振等光学特性。仿真结果表明，该结构的宽度W为392.5 nm，横向长度为393 nm、588 nm和785 nm（分别对应于图2c中的L₁，L₂，L₃），最佳垂直长度L₄为1177 nm，其周期P固定在196 nm。

      当结合具有较小等离子体效应的HP（如图3a、b所示）和可调控接收特定波长的VP（如图3c所示）成MPN时，使其入射光和等离子体波矢量匹配实现等离子体效应，结构的电场实现耦合增强，是DN和GN的15倍以上（如图3d所示）。

      由于上述等离子体效应，电场的大小也受到入射光角度的影响。当等离子体纳米结构与入射光发生共振时，其对应的消光、散射和吸收截面会发生变化。文中图4说明了MPN的共振效应取决于入射光的角度。

      当结构高度为180 nm, Ag层高度为50 nm，激光入射角度为30°时，MPN的消光截面为1.33×10^-11 m²，电场和远场增益分别为31.826 V/m和1137.8 V/m，表明所产生的电场分别是DN和GN的600倍和1100倍，即所设计的MPN可以有效增强电场，使其集中在纳米结构中部。图4f表明了纳米结构在3 μm距离处将光信号调控增强了226倍以上。

      该研究团队通过结合带式光刻和纳米压印光刻来制备MPN。采用电子束（e-beam）光刻技术制备了Si材料，同时基于优化好的尺寸参数使用电子束光刻技术对方形纳米图案阵列进行图案化。如图5a、b所示即为Si模具的扫描电子显微镜（scanning electron microscopy，SEM）图像。通过对Si模具的表面处理，Si模具的接触角从55.10°增加到115.14°，有利于纳米压印过程中的脱模。随后将50 nm厚的Ag薄膜沉积到Si模具上，沉积速率在1到20 ?/s之间变化。金属沉积后，再用胶带去除表面突出的金属。图5c、d显示了从胶带上剥离的Ag纳米图案的SEM图像，证实了突出的Ag薄膜是唯一被胶带去除的材料。图5e、f显示了使用热压印光刻技术制备的最终纳米结构。

      图5f表明，根据表面能的差异，Ag被选择性地从模具转移到基底上。对最终结构进行保真度分析，制备的等离子体纳米结构长度为1130.2 nm。因此，保真度为2.43%，低于3.8%的仿真公差值。这一结果证实了所提出的混合压印工艺是制备MPN的一种有效且准确的方法。

      为了证实MPN调控增强了光信号，该团队使用了785 nm激光对其进行实验测试。图6a表明等离子体纳米结构通过改变入射光角度来调控光强度，在共振入射角为30°时，激光通过等离子体纳米结构后的光强与原始激光相比提高了2.24倍。这是因为原本散射在空气和表面的光集中在纳米结构的中间。图6b表示与裸膜（PMMA）相比，由于晶胞中电场的耦合和增强，MPN在距离为9 cm时可将光信号放大高达2.61倍。而为了深入了解外部电场对光学电场的放大作用，图6c显示了无激光和有激光时MPN的原子力显微镜（AFM）图像和功率谱密度（PSD）光谱，其中未使用激光的AFM表面形貌图像与其SEM图像一致。当激光以30°入射到MPN结构上时，结构高度增加到280 nm。AFM数据所显示的各个结构中的等离子体效应和电场耦合，充分说明了MPN调控增强了电场。

      fNIRS是一种大脑激活成像系统，利用近红外光线观察氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的变化，但由于信号较弱，深层信号无法与噪声信号区分。如图6d所示，检测器1和2的信号幅度与正常控制实验的大脑激活（圆圈）和MPN实验（正方形）的频率的关系。当频率大于0.02 Hz时，MPN分别将氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的信号幅度调控放大了76倍和106倍（红线），大脑激活可以被检测到。且与660 nm处的荧光图像相比，785 nm处的激光信号放大了1.6倍（如图6e所示）。此外，MPN与裸膜、无银MPN和原始信号相比，还可以准确检测到1.94 mm的图像距离。因此，得益于偶极子纳米天线和等离子体效应，MPN可以调控增强特定波长的信号，并检测到类似于噪声的微弱信号，应用前景广阔。

观点评述

      该文研究了基于GN和DN耦合设计的金属基等离子体纳米结构来调控光场，放大特定的光信号，以提高光学成像系统的分辨率。基于仿真数据，使用热压印光刻技术制备具有等离子体效应的MPN，通过结构之间的共振和电场耦合放大光信号。研究结果还表明，MPN可使用偶极子天线调控增强特定的光学信号，如文中设计成接收785 nm的特定激光波长，不放大近场中的光，而是整合远场中的光，进一步提高了荧光光学成像系统的空间分辨率。该团队提出的MPN通过提高信噪比并将光信号放大到原始系统的106倍来识别现有系统无法区分的光脑深层信号，优于现有的fNIRS系统。因此，该结构可应用于增强神经系统疾病的诊断、分期和治疗研究，例如阿尔茨海默病、痴呆和中风，目前这些疾病的治疗选择很少。

主要作者

      Myung Yung Jeong获韩国科学技术院（KAIST）博士学位。在韩国电子通信研究院（ETRI）工作后，他目前是韩国国立釜山大学认知机电一体化工程系的教授。他是NRL、WCU和多个国家项目的项目负责人（PI）。此外，他还负责Miryang纳米融合产业园，并担任Nanopia会议主席。2014年获得了Haedong Award。他目前的研究方向包括使用特定纳米制造技术的新型功能纳米器件、仿生纳米器件和认知工程。同时，他正在开发一种新的医学成像机器，以了解大脑的认知过程，提高人类的能力。

• PhotoniX 属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。是中国光学工程学会会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编。期刊拥有强大的国际编委和编辑团队。PhotoniX 主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

• PhotoniX 现已被SCIE、SCOPUS、DOAJ、ProQuest、CNKI、INSPEC、Dimensions等多个数据库收录，并入选《2021年中国科学院文献情报中心期刊分区》。2022年6月获得首个影响因子：19.818，位列Q1区。

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