近日，我院与高等研究院徐红星教授研究组在表面等离激元光子学领域取得重要进展。通过选择二维材料取代传统的探针分子，结合定量化的表面增强拉曼散射技术，实现了量子遂穿效应影响下的等离激元增强极值的测定。该工作得到审稿人的一致好评，以及编辑的高度评价，认为“Your paper has been considered as a significant contribution to the field of optics and photonics”。论文于8月29日以“Probing the limits of plasmonic enhancement using a two-dimensional atomic crystal probe”为题发表在国际知名期刊《Light: Science & Applications》上。论文第一署名单位是武汉大学，我院博士生陈文为第一作者，张顺平副教授与徐红星教授同为通讯作者。

等离激元场增强作为纳米光学和等离激元光子学中最重要的光学效应之一，其应用涉及单分子表面增强光谱、光与物质强耦合、非线性光学、光学传感等众多前沿研究方向。根据现有的理论与实验，具有最强电磁场增强的等离激元场往往产生于相互靠近的金属纳米结构的纳米间隙中，而其极值的出现要求间隙距离进入亚纳米尺度。准确探测如此微小体积内的场增强对现有的纳米加工与光学探测技术来说是一种挑战。

观察在纳米间隙内探针分子的SERS强度是测定等离激元场强度的一种有效方式，然而这种方法在场增强的定量测量上至今任面临若干难题（图一）：（一）如何构建一个间隙距离小于一纳米并且形貌结构确切已知的纳米腔；（二）如何将探针分子插入到如此狭窄的间隙内部，以及更重要的（三）如何确保分子（拉曼偶极矩）的朝向与等离激元场的方向一致，使得场增强被准确地探测。此外，为了得到最强的等离激元场增强，还要求激发光与等离激元共振在波长与偏振上保持匹配。

图一 二维材料探针取代传统的拉曼分子，有效解决空间极小的纳米间隙中探针数量与分子朝向难以精确控制的问题，从而实现等离激元近场强度的准确探测。

    为了同时克服上述困难，研究组选用了层状二硫化钼作为原子层晶格探针的来取代传统的拉曼分子探针（图一）。一方面，二硫化钼探针被插入到单个纳米金颗粒与平滑金膜之间，构成间隙距离由二硫化钼层数所精确确定（最小可达0.62 nm）的等离激元纳米腔。另一方面，由于处在纳米腔间隙中的硫化钼探针具有严格的晶格朝向，研究者可以确保其晶格振动与等离激元场分量准确对齐。由此，等离激元横向场与纵向场可以分别独立地由二硫化钼的面内与面外声子模式的强度所表征（图二a）。同时，为研究组开发了一种等离激元共振扫描SERS测量技术来实现等离激元场的最大化激发（图二b）。此外，这种晶格探针的光谱不会遭受传统分子SERS光谱中经常出现的光漂白与分子漂移等不稳定现象。

图二 硫化钼探针在等离激元纳米腔中的SERS光谱(a)，等离激元共振扫描SERS测量(b)，以及在不同间隙距离下等离激元场增强的实验与理论对比(c)。

基于上述一系列独特设计，研究组首次实现了在原子级厚度的等离激元纳米腔中等离激元场不同分量的定量测量，确定了量子遂穿效应影响下的等离激元场极值出现的间隙区间（图二）。该研究不但促使SERS光谱技术从以往研究中的定性技术发展为一种定量技术，加深了对等离激元体系下量子力学效应的理解；而且有望促进一些新理论和现象的发展与应用，例如声光相互作用、量子等离激元光子学、纳米腔光机械等。

该工作在科技部和国家自然科学基金委项目的资助下完成。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41377-018-0056-3