基于石墨烯等离激元的表面红外增强用于分子指纹探测--数值模拟研究开题报告

 2020-02-10 11:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱,据此可以对分子进行结构分析和鉴定。红外光谱通过探测各种分子和化合物的基团振动,能够有效表征分子振动和转动指纹,在材料分析中发挥着越来越重要的作用。但是,由于红外光的波长(微米级)比典型分子尺寸(纳米级)大三个数量级,因此红外光与分子之间的相互作用十分微弱,导致红外光谱检测分子的灵敏度很低,难以获得微量纳米材料的红外光谱。严重限制了其基于微量检测的应用。而近年来纳米材料和技术的快速发展,对传统红外光谱的检测灵敏度提出了更高的要求。

表面等离激元是在导体表面区域的一种自由电子和光子相互作用而形成的电磁振荡。研究发现,在一定条件下(满足波矢匹配),当光波(电磁波)入射到介质与导体的分界面时,导体表面的自由电子发生集体振荡,电磁波与导体表面自由电子耦合而形成一种沿着导体表面传播的近场电磁波;如果电子的振荡频率与入射光波的频率一致会产生共谐振荡,光子的能量可被谐振态的电子吸收,形成一种特殊的电磁模式:电磁场被局域在导体表面很小的范围内并发生增强,产生局域场增强效应。表面等离激元对入射光的强束缚,可以增强光与物质的相互作用,将红外光谱中的检测灵敏度显著提高几个数量级。表面增强红外吸收这种方法是1980年Hartstein等人利用随机排列的Ag纳米颗粒薄膜上产生的等离激元最先引入的。在随后的几十年中,大多数研究仍然集中在这种金属薄膜基底上。但是传统金属如金、银等在等离激元的应用上具有许多缺陷:首先,由于金属中自由电子密度高,难以改变其载流子浓度,所以激发频率很难被调整。其次,由于金属薄膜阻抗大,使得等离激元极化波传导过程中产生较高的欧姆损耗,难以应用到增强红外光谱中。

2004年,英国曼彻斯特大学的A.K. Geim教授和K.S. Novoselov教授使用机械剥离的方法首次从石墨中分离出了石墨烯。由于石墨烯独特的电子能带结构使其具有特殊的电学和光学性质,在多个领域掀起了研究热潮。随着石墨烯材料的研究深入,碳基纳米材料等离激元也受到国内外研究人员的关注。

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