Nano Lett.：金納米棒基納米結構的幾何調制磁共振光學活性

【引言】

圓二色性（CD）響應是一種在納米尺度下出現的光學活性。磁圓二色性（MCD）響應源于磁場對時間反轉對稱性的破壞。對于傳統的分子材料，磁場是誘導和操縱其光學活性的最有效途徑之一。分子尺度的MCD光譜可以揭示電子能級的簡并信息。目前對分子MCD的理解已經相對成熟，然而對納米尺度MCD起源的研究仍處于初級階段，大量的問題依然亟待解決。

【成果簡介】

近日，國家納米科學中心的唐智勇和北京應用物理與計算數學研究所的張偉(通訊作者)等在Nano Letters上發表了題為“Geometry-Modulated Magnetoplasmonic Optical Activity of Au Nanorod-Based Nanostructures”的研究論文，報道了金納米棒基納米結構的幾何調制磁共振光學活性的最新研究進展。研究人員選取金納米棒（GNRs）為研究對象，結合理論計算，系統研究了MCD響應與一維GNRs內的光學對稱性和幾何因子的內在關系。研究發現：GNRs的幾何因子是產生高度可調MCD信號的關鍵因素。不同幾何構型的GNRs納米組合體表現出差異明顯的MCD響應特性。GNRs的各向異性形狀導致了橫向表面等離子體共振（TSPR）和縱向表面等離子體共振（LSPR）模式之間的不對稱性，從而形成了具有不同線形的MCD響應。通過改變GNRs的長寬比，可以調節材料的MCD響應特性。

【圖文導讀】

圖-1. 不同幾何形貌金納米結構的透射電子顯微鏡（TEM）圖片、MCD光譜和紫外-可見-近紅外（UV-vis-NIR）光譜。

(a)分散良好的GNSs的TEM圖片，比例尺：100 nm。

(b)分散良好的GNSs的MCD光譜（上曲線）和UV-vis-NIR光譜（下曲線）。

(c)長寬比為3，分散良好的GNRs的TEM圖片, 比例尺：100 nm。

(d)分散良好的GNSs的MCD光譜（上曲線）和UV-vis-NIR光譜（下曲線）。

注：MCD光譜是在磁場強度B = 1.6 T的條件下，根據ΔA（磁場的左和右圓偏振光的吸光度之間的差異）除以A _SPR/LSPR（GNS的SPR峰值吸光度或GNR的LSPR峰值吸光度）的比值進行繪制。所有的UV-vis-NIR吸收光譜則是根據A（吸光度）除以A_SPR/LSPR（GNR的GNS或LSPR峰值的SPR峰值的吸光度）的比值進行繪制。

圖-2. 不同長寬比的GNRs的TEM圖片、MCD光譜和UV-vis-NIR光譜。

(a)長寬比為2.1的GNRs的TEM圖片，比例尺：100 nm。

(b)長寬比為2.4的GNRs的TEM圖片，比例尺：100 nm。

(c)長寬比為3.0的GNRs的TEM圖片，比例尺：100 nm。

(d)長寬比為3.7的GNRs的TEM圖片，比例尺：100 nm。

(e)長寬比為3.9的GNRs的TEM圖片，比例尺：100 nm。

(f)不同長寬比的GNRs的MCD光譜，磁場強度B=1.6 T。

(g)不同長寬比的GNRs的UV-vis-NIR光譜。

圖-3. GNRs中的對稱性和MCD相應示意圖。

(a)GNRs中的TSPR和LSPR 模式對稱性示意圖。

(b)TSPR帶（藍色區域）和LSPR帶（橙色區域）的MCD響應;紅色曲線表示實驗MCD信號。

圖-4. 不同幾何構型GNRs組合體的TEM圖片、CD光譜和UV-vis-NIR光譜。

(a)肩并肩（SS）構型GNRs的TEM圖片，比例尺：50 nm。

(b)長寬比為2.3的SS構型GNRs和分散的GNRs參比的CD光譜(上曲線)和UV-vis-NIR光譜（下曲線），磁場強度B=1.6 T。

(c)頭對頭（EE）構型GNRs的TEM圖片，比例尺：50 nm。

(d)長寬比為2.3的EE構型GNRs和分散的GNRs參比的CD光譜(上曲線)和UV-vis-NIR光譜（下曲線），磁場強度B=1.6 T。

圖-5. 不同長寬比分散性GNRs計算得到的MCD光譜。

【小結】

本文以分散性良好的球形金納米顆粒（GNSs）和金納米棒（GNRs）為研究對象，結合實驗數據與理論計算，系統研究了納米尺度下材料的幾何調制磁共振光學響應。GNRs中的幾何因子是產生高度可調MCD信號的關鍵因素。通過MCD光譜法，證明了表面等離子體共振（SPR）模式的對稱性與光譜信息之間的直接關系；通過調節GNRs的長寬比或幾何構型，實現了對MCD響應位置和幅度的調節。理解幾何因子的重要性為實現納米尺度磁致譜響應的復雜調制奠定了基礎，為未來納米光學器件的設計和應用提供了一定的思路參考。

文獻鏈接：Geometry-Modulated Magnetoplasmonic Optical Activity of Au Nanorod-Based Nanostructures(Nano Lett., 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b02583)

本文由材料人編輯部張杰編譯，黃超審核，點我加入材料人編輯部。

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