导读
在当今的纳米技术领域，等离激元纳米间隙(Plasmonic Nanogaps)作为提升光与物质相互作用的前沿技术，正在引领众多创新应用的浪潮。近日，深圳大学李杨助理教授、孙嘉伟副研究员联合华东师范大学陈文研究员、武汉大学徐红星院士探讨了这一领域的重大进展及其在纳米器件中的变革性应用。本文第一作者为李杨助理教授，通讯作者为陈文研究员、孙嘉伟研究员以及徐红星院士，其他合作单位包括河南省科学院和河南大学。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金以及深圳大学科学仪器研制项目的资助支持。
内容介绍
在强耦合金属纳米结构中，等离激元纳米间隙可以将光限制在纳米尺度区域，从而显著增强局域电磁场。这一独特能力使得等离激元纳米间隙成为增强光与物质相互作用的强大平台，从而加速了新现象和新应用的发展。本文系统总结了具有良好形貌、可控光学响应并专注于极限性能的纳米间隙系统的进展。文章深入探讨了等离激元间隙模式在远场共振和近场增强方面的特性，并对亚纳米级的等离激元间隙制备技术进行了详细的比较分析，包括自底向上、自顶向下及其结合方法。此外，文中还重点介绍了在表面增强光谱、等离激元-激子强耦合、非线性光学、光电器件等多个前沿研究领域中的最新进展和应用。最后，文章讨论了该领域的挑战和有前景的新兴方向，例如光驱动的原子效应、分子光力学和替代性新材料的探索。
等离激元纳米间隙中的光与物质相互作用这一领域发展可归纳为三大阶段：第一阶段始于贵金属纳米颗粒二聚体的单分子表面增强拉曼光谱（SERS）研究，其中电磁场的巨大增强引起了广泛关注。随后，第二阶段中，发现了多种新的纳米间隙结构，并逐步扩展到各种光学过程的研究。第三阶段通过在亚纳米甚至原子尺度上控制纳米间隙，达到了极端局部光场的实现。这样的平台可以用于研究量子光学，甚至可能促使原子尺度光学器件的发展。
本综述探讨了等离激元纳米间隙的前沿，深入分析了塑造这一快速发展的领域的复杂挑战和新兴问题。文章重点关注纳米间隙增强的光学过程及其在纳米器件中的变革性应用，特别是等离激元纳米间隙如何在精确设计、极度局部化的结构中促进光与物质的相互作用。通过这一视角，本文旨在揭示定义纳米光子学前沿的复杂性。文章的第二部分介绍了等离激元耦合效应，这是理解纳米间隙模式的基础，详细分析了天线效应、远场共振特性、近场增强及等离激元纳米间隙的量子极限。同时，系统探讨了不同的纳米间隙中的等离激元模式，特别是纳米颗粒与金属镜面形成的纳米间隙，并强调了这些模式对形貌变化的敏感性。此外还讨论了如何在从紫外到太赫兹的广谱范围内调节这些间隙模式，以适应不同应用的需求，并且总结了由纳米间隙表面和界面上的原子效应引发的不寻常光学响应的最新发现。本文的第三部分系统探讨了如何制备高质量纳米间隙结构以及纳米间隙-发射体复合结构，特别是利用不同种类纳米材料作为间隔体的自下而上方法，以实现亚纳米级精度的间隙控制。还讨论了自上而下制造方法及其与自下而上方法结合的优势，并展望了新材料在纳米间隙制造中的应用前景。文章的第四部分深入分析了由等离激元纳米间隙推动的表面增强光谱应用，具体涉及表面增强拉曼散射（SERS）、表面增强红外吸收（SEIRA）和表面增强荧光（SEF）等内容，并根据不同光学过程进行了分节探讨。在第五部分中，作者讨论了在等离激元纳米间隙-发射体复合结构中实现等离激元与激子强耦合的机制与意义。第六部分则重点介绍了等离激元纳米间隙在非线性光学中的贡献，尤其是在二次谐波产生和多光子荧光等过程中提升效率的效果。第七部分探讨了等离激元纳米间隙在开发多功能光电器件中的关键作用。最后，第八部分讨论了等离激元纳米间隙在光学之外的应用，特别是在光热和光化学反应中的进展。
图1 ：等离激元增强光与物质相互作用
图2 ：金属纳米间隙界面的原子效应
图3 ：自下而上技术方法制备等离激元纳米间隙结构
图4 ：利用纳米间隙结构实现表面增强拉曼散射
图5 ：基于等离激元纳米间隙的分子腔光力学
图6 ：利用纳米间隙结构实现表面增强荧光
图7 ：纳米间隙系统中的光与物质强耦合作用
总结和展望
该综述全面探讨了等离激元纳米间隙中增强光-物质相互作用的基本概念与应用进展。文章介绍了纳米间隙的光局域特性和电磁场增强效果在电子和振动尺度上的应用，通过近场增强效应提升各种光学过程，如荧光、拉曼散射等。综述比较了纳米间隙的不同制备技术，并探讨了纳米间隙在单分子成像和动态控制等原子尺度增强应用中的潜力。此外，文章深入讨论了纳米间隙在分子腔光力学中的应用前景，并展望了未来在量子信息、全光开关等领域的可能突破。综述还提出了探索新材料如碱金属、掺杂金属氧化物、过渡金属氮化物、二维材料和拓扑绝缘体的可能性，以改善传统材料的限制并增强纳米光子学和集成光学的应用潜力。该篇综述不仅希望展示最新的研究进展，还旨在激励未来在等离激元纳米间隙领域的研究和技术创新，将基础见解与光电、量子光学及其他新兴应用相结合。
论文信息：
Boosting Light−Matter Interactions in Plasmonic Nanogaps
Yang Li, Wen Chen*, Xiaobo He, Junjun Shi, Ximin Cui, Jiawei Sun*, Hongxing Xu*
Advanced Materials
DOI: 10.1002/adma.202405186
Advanced Materials
期刊简介
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