近日，武汉大学物理科学与技术学院和高等研究院徐红星教授领导的研究团队在表面等离激元光学传感应用研究方面取得突破性进展，实现对纳米结构间距变化亚皮米（1皮米=10^-12米）精度的精确测量。相关成果以Probing of sub-picometer vertical differential resolutions using cavity plasmons为题发表在国际知名期刊《自然·通讯》上。论文第一署名单位是武汉大学，武汉大学物理科学与技术学院博士生陈文和张顺平副教授为共同第一作者，徐红星教授为通讯作者。

在相距几个纳米的两个金属纳米结构中，表面等离激元（导体中自由电子相对正离子背景的集体振荡的元激发）能够发生强烈的近场相互作用，导致剧烈的光散射与吸收。这种近场（尺度远小于光的波长）相互作用使得纳米结构的光散射共振波长随纳米结构的间距变化非常敏感，可以被用作超灵敏的纳米位移/距离的光学传感，因此被称为等离激元尺子（Plasmon Ruler）。这种等离激元尺子已被报道用于多种纳米材料和生物分子微弱变化的实时传感，如DNA链聚合，生物酶反应，分子吸附检测等。然而，已有报道距离变化的精度仅仅做到亚纳米的级别，满足不了对更精细更微弱的物理现象的探测与分析。

图一金属纳米线-间隙材料层-超光滑金膜组成的纳米腔结构及其表面等离激元共振模式的近场与远场性质。

在此前研究中，该团队从理论上发现当两个靠近的金属纳米结构是平板结构时，存在一种随间距变化非常敏感的纳米腔表面等离激元共振模式，且其辐射损耗较小，用它作为等离激元共振传感可以达到灵敏度的理论极限值（Nanoscale, 2016, 8, 13722-13729）。在最新的工作中，研究团队设计了一种更容易制备的金属纳米线-间隙材料层-超光滑金膜的三明治复合平板纳米腔结构，通过观察这种纳米腔等离激元模式的散射峰的光谱移动来测定间隙材料层的微小厚度变化（图一）。为了演示该体系的传感灵敏性，研究团队选择一种聚合物纳米薄膜作为间隙材料层，改变样品的温度可使间隙材料层的厚度因热膨胀发生微弱的变化（图二）。通过排除热膨胀引起折射率变化产生的贡献，实验上证实了这种纳米腔等离激元传感器可以原位测定到亚皮米的厚度变化，比之前报道的等离激元尺子亚纳米精度高了几个数量级，创造了新的世界记录。此项工作将等离激元光学传感推进到了一个前所未有的灵敏度，对新型等离激元光学传感器在物理化学现象的超灵敏探测方面具有重要的应用意义。

图二利用纳米腔等离激元模式实现对间隙材料层亚皮米厚度变化的原位实时测量。

该工作得到了科技部和国家自然科学基金委项目的支持。

附：论文全文链接地址

https://www.nature.com/articles/s41467-018-03227-7

http://pubs.rsc.org/-/content/articlehtml/2016/nr/c6nr03806a