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摘要

红外光谱能够精准反映分子振动的信息, 是表征材料成分和结构的重要手段. 但是纳米尺度材料与微米尺度红外光波长之间约三个数量级的尺寸失配导致两者之间相互作用十分微弱, 无法直接进行红外光谱表征. 因此如何获得微量纳米材料的红外光谱信息成为了近年来红外光谱领域面临的关键挑战. 等离激元能够将光场压缩实现局域光场增强, 从而增强光与物质的相互作用. 其中石墨烯等离激元因其具有高光场压缩、电学动态可调和低本征衰减等优点, 为表面增强红外光谱提供了重要的解决方案. 本文首先从不同材料体系出发介绍了红外等离激元, 在此基础上从石墨烯的基本性质出发总结石墨烯等离激元及其在表面增强红外光谱上的优势, 并重点介绍了的最新进展和应用, 包括单分子层生物化学探测、气体识别和折射率传感等. 最后对的下一步发展方向和应用前景进行了展望.

关键词:

Abstract

Infrared spectroscopy can accurately reflect the information of molecular vibration, and it is an important technology to characterize the composition and structure of materials. However, since the interaction between nanomaterials and infrared light is very weak due to the significant size mismatch, it is challenging to obtain the spectral information of nanomaterials in the field of infrared spectroscopy. The plasmon is a collective electron oscillation on the surface of the material inducing by the incident light, and it has excellent light field confinement, which can significantly enhance the interaction between light and nanomaterials. Graphene plasmon has prominent properties, such as high light field confinement, dynamic adjustment, and low intrinsic attenuation. Therefore it is an important solution to enhance the infrared absorption of nanomaterials. This article systematically introduces the infrared plasmon materials system. Then it summarizes the characteristics of graphene plasmon and their advantages on surface enhanced infrared spectroscopy, and it emphasizes the recent important researches and applications of graphene plasmon enhanced infrared spectroscopy in the world, including single molecular layer biochemical detection, gas identification, refractive index sensing, etc. Further prospects for the development and potential applications of graphene plasmon enhanced infrared spectroscopy are also demonstrated.

Keywords:

作者及机构信息

1.
2.

通信作者:杨晓霞,yangxx@nanoctr.cn; 戴庆,daiq@nanoctr.cn

基金项目:国家重点基础研究发展计划 (批准号: 2015CB932400)、国家重点研发计划 (批准号: 2016YFA0201600)、国家自然科学基金 (批准号: 11674073, 11504063, 11704085)、中国科学院前沿科学重点研究项目 (批准号: QYZDB-SSW-SLH021)、中国科学院重点部署项目 (批准号: ZDBS-SSW-JSC002)和中国科学院青年创新促进会和中国科学院创新交叉团队项目 (批准号: JCTD-2018-03)资助的课题.

Authors and contacts

1.
2.

Corresponding author:Yang Xiao-Xia,yangxx@nanoctr.cn; Dai Qing,daiq@nanoctr.cn

Funds:Project supported by the National Basic Key Research Program of China (Grant No. 2015CB932400), the National Key Research and Development Program of China (Grant No. 2016YFA0201600), the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11674073, 11504063, 11704085), the Key Program of the Bureau of Frontier Sciences and Education, Chinese Academy of Sciences (Grant No. QYZDB-SSW-SLH021), the Key Research Program of the Chinese Academy of Sciences (Grant No. ZDBS-SSW-JSC002), and the Youth Innovation Promotion Association Chinese Academy of Sciences and CAS Interdisciplinary Innovation Team (Grant No. JCTD-2018-03).

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施引文献

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红外表面等离激元材料	载流子迁移率cm²/(V·s)	可调性	局域能力λ_IR/λ_p	品质因子
金属(如Au, Ag)^[31,32]	～10⁰—10^{2 [33]}	电学不可调	< 5^[34]	< 36^[30]
半导体(如Ge, ITO)^[35,36]	～10⁰—10^3[36]	电学可调	< 10^[30]	< 37^[30]
超导体(如FeSe)^[37,38]	～10^4[39]*	电学可调	—	—
拓扑绝缘体(如Bi₂Se₃)^[40,41]	～10^4[42]	电学可调	< 900^[41,43]	3^[43]
石墨烯^[30,31]	～10³—10^5[30]	电学可调	～40—220^{[7,18,30,34,43]}	< 130*^[30]
碳纳米管^[44,45]	～10³—10^{4 [46]}	电学可调	～100—1000^[47]	< 26^[47,48]
注: *表示低温.

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石墨烯等离激元
等离激元响应波段	近红外(0.7—2.5 μm)	中红外(2.5—25 μm)	远红外及太赫兹(> 25 μm)
能否激发	否	能	能
尺寸	—	～100 nm	～1 μm
本征寿命	—	～20—120 ps^a	～0—40 ns^a
局域能力	—	～40—220^b	< 50^c
注: a摘自文献[74]; b摘自文献[7,17,43]; c摘自文献[76,77].

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