固体所在金-银异质二聚体阵列研究方面取得新进展

近期，中科院合肥物质院固体所纳米材料与器件技术研究部在金-银异质二聚体阵列的可控合成及其在信息加密领域的应用研究方面取得新进展，相关研究成果以“Antielectric Potential Synthesis of Plasmonic Au-Ag Multidimensional Dimers Array for High-Resolution Encrypted Information”为题发表在Nano Letters (Nano Letters, 2024, DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c00444)上。      局域表面等离激元共振效应（LSPRs）赋予等离子体纳米粒子调控光与物质相互作用的能力，使得等离激元图案阵列能够编码复杂颜色和偏振图案，有望应用于信息加密芯片领域。与上转换及半导体量子点等材料相比，等离子体纳米粒子能够长期保持颜色稳定，可解决发光纳米粒子强度不足和寿命短等难题。其中，等离激元异质纳米阵列由异质等离子体纳米粒子经周期性排列构成，具有多维度的光学可调性，有助于实现高分辨率的信息加密。

目前，等离激元阵列的可控制备主要分为两大类方法：一是传统的“自上而下”策略，如：蘸笔光刻、物理气相沉积等。该类方法具有良好的长程有序性、高重复性等优点，但材料局限大、成本高昂、操作复杂、大面积制造存在困难。二是“自下而上”的自组装策略，如：喷墨打印、模板辅助的对流组装等，该类方法的组装材料丰富，产率更高，但大多依赖静电力、毛细管力作用，对实验环境和组装条件要求苛刻，定向组装困难；且组装的多为同质等离激元二聚体阵列，图案分辨率大都处于微米范围，难以同时实现高分辨率信息表达及大面积图案化。综上，受现有制备策略限制，等离激元异质纳米阵列的可控制备及其在信息加密芯片领域的应用仍然存在挑战。      鉴于此，固体所研究人员开发了一种抗电势生长法，实现了Au-Ag异质等离激元阵列的大面积原位生长。实验中，AMBI（5-氨基-2-巯基苯并咪唑）配体在金纳米球（Au NSs）表面的吸附所引起的界面能增加能够克服Au NSs与Si衬底之间的静电势阱，帮助Ag离子克服成核势垒，在Au NSs表面生长。通过调节反应体系的动力学和热力学条件，二维（2D）Ag纳米板和三维（3D）Ag截角立方块能够可控地在3D Au NSs结构单元上生长，获得3D Au-2D Ag和3D Au-3D Ag二聚体阵列（图1）。实验和理论模拟结果表明，由于3D Au-2D Ag和3D Au-3D Ag二聚体中Au NSs与Ag NPs的多极耦合共振，图案化的3D Au-2D Ag和3D Au-3D Ag二聚体阵列分别呈现明亮的蓝绿色和青绿色，与Au NSs阵列所呈现的橙色形成超强对比（图2），实现了精细地颜色调控，图案信息的分辨率达到了纳米级。该工作开发了一种图案化等离激元超结构的制造策略，促进了等离激元阵列在高分辨率信息加密芯片领域的应用。

上述工作得到了国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金等项目的支持。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c00444

图1. Au-Ag二聚体阵列的制备流程图：(a) Au NSs阵列；(b) AMBI配体修饰改性后的Au NSs阵列；(c) 抗坏血酸作为还原剂获得3D Au-3D Ag二聚体阵列的示意图；(d) 对苯二酚作为还原剂获得3D Au-2D Ag二聚体阵列的示意图；(e) 表面旋涂PMMA光刻胶的Au NSs阵列；(f) 通过电子束光刻技术获得的图案化Au NSs阵列；(g) AMBI配体修饰改性后的图案化Au NSs阵列；(h) 图案化Au-Ag二聚体阵列。

图2. 图案化Au-Ag二聚体阵列的表征：(a) 3D Au-2D Ag二聚体阵列的低倍率SEM图像（字母：USTC，线宽：4 μm）；(b-c) 图(a)中彩色方格所对应的高倍率SEM图像；(d) 3D Au-3D Ag二聚体阵列的低倍率SEM图像（字母：ISSP，线宽：2 μm）；(e-f) 图(d)中彩色方格所对应的高倍率SEM图像；(g-i) 线宽分别为4 μm（USTC）、2 μm（NTU）和400 nm（CAS）的图案化3D Au-2D Ag二聚体阵列的暗场光学图像；(j-1) 线宽分别为4 μm（ISSP）、2 μm（CAS）和400 nm（CAS）的图案化3D Au-3D Ag二聚体阵列的暗场光学图像。