等离子体纳米结构的光谱成像

背景

Adi Salomon 教授的实验室主要致力于了解纳米级分子与光的相互作用，并构建利用光传感分子的设备。该小组设计并制造了金属纳米结构，并利用它们通过与表面等离子体激元的相互作用来影响纳米级的光。这些等离子体装置根据纳米粒子的尺寸、形状和排列以及光的能量，将光增强并聚焦到深亚波长体积中。靠近这些热点的分子可以经历强烈的相互作用，从而改变其物理特性并增加信号响应，例如在表面增强拉曼散射中。

实验室的一个项目研究了金属表面三角形纳米空腔的光传输的颜色和强度。通过改变两个腔体之间的距离或控制入射场(光)的偏振态，可以精确控制光的颜色。所罗门实验室使用金属薄膜中铣削的不同组腔来研究分子过渡态和等离子体模式之间的混合模式，以改变相互作用强度。

使用等离激元结构，所罗门实验室还利用等离激元结构进行实验来控制光的二次谐波产生(SHG)。SHG 非常适合探测表面上的分子薄层以及表面上发生的分子事件。由于二次谐波的发生必须打破反演对称性，因此观察到的信号来自金属表面，而不受基材主体的干扰。

挑战

所罗门实验室使用各种光谱方法来表征纳米结构，例如阴极发光、透射和反射光谱。光谱学提供有关电场热点位置、共振位置以及由于光偏振和设备设计变化而产生的变化的信息。然而，重要的是收集这些数据作为具有足够空间分辨率的位置的函数。光谱信号可以通过扫描表面上的每个点来获得，但速度相当慢且效率低。因此，所罗门实验室正在使用透射光谱的光谱成像方法，其中跨等离子体结构的样品区域被投影到光谱仪入口狭缝上。

光谱分辨率也是一个重要的考虑因素，特别是在考虑分子光谱时。虽然由于表面等离子体激发的寿命短，等离子体传输峰具有较宽的宽度，但在观察与分子的相互作用时，分子光谱中的精细结构包含有关与电磁场的光谱耦合的信息。

IsoPlane 和 PIXIS 相机是我们实验室用于表征等离子体结构的关键装置之一的一部分。IsoPlane 使我们能够进行无像差的光谱成像，因此可以更轻松地识别等离子体表面上的热点。

解决方案

Salomon 实验室实施了像差校正光谱仪(IsoPlane SCT-320和PIXIS 1024 相机)在他们的光谱成像显微镜设置中。该系统旨在最大限度地减少或消除限制更传统的车尔尼-特纳光谱仪设计的光学像差。减少像差可提高光谱分辨率和灵敏度，并减少尖锐光谱线的失真，因为信号聚焦在焦平面中较小的区域。同时，无像差设计提高了空间分辨率，因为来自样品上不同点的光谱在探测器上得到了更好的分辨率。使用光谱成像方法可以更精确、更快速地表征等离子体结构中电磁场热点的空间位置和结构。

审核编辑 黄宇