Gold Nanoparticles for Plasmonic Biosensing: The Role of Metal Crystallinity and Nanoscale Roughness
贵金属纳米粒子由于局部表面等离子体激元的激发而显示出特定的光学性质，这使得它们成为高灵敏度生物纳米传感器的有吸引力的候选者。潜在的物理原理是分析物诱导的纳米颗粒周围介质的介电性质的改变或通过共振增强的等离子体激元场增加光学活性分析物的激发和发射速率。无论哪种方式，除了纳米颗粒的几何形状外，金属的介电性质和纳米级表面粗糙度对传感性能起着重要作用。然而，由于基本原理尚未得到很好的理解，我们的目标是在这里通过分析光刻制造的纳米粒子的光学特性，不同的结晶度和粗糙度参数的一个更好的理解。我们通过热退火改变这些参数，并应用薄金膜作为模型系统来检索介电函数的修改。我们调查，一方面，消光光谱，反映了远场性质的等离子体激元激发，另一方面，表面增强拉曼光谱，作为近场探针。我们的研究结果提供了更好的洞察局部表面等离子体及其在生物纳米传感中的应用。
2011-11-03 physics.optics
On-chip excitation of single germanium-vacancies in nanodiamonds embedded in plasmonic waveguides
量子发射器在纳米级等离子体电路中的单片集成需要能够将光限制在远低于衍射极限的低损耗等离子体配置。我们展示了在芯片上远程激发纳米金刚石嵌入单量子发射器的等离子体模式的电介质脊顶部胶体银晶体。纳米金刚石被生产为包含单个锗空位（GeV）中心，提供适用于高度集成电路的明亮、光谱窄且稳定的单光子源。使用电子束光刻与氢硅倍半氧烷（HSQ）抗蚀剂，介电负载的表面等离子体激元波导（DLSPPWs）制造的单晶银板，以便包含那些被发现具有适当的单GeV中心的旋转铸造的纳米金刚石。低损耗等离子体配置使得532 nm泵浦激光能够在DLSPPW中在芯片上传播，并到达嵌入式纳米金刚石，其中包含单个GeV中心。远程GeV发射极由此被激发并耦合到空间受限的DLSPPW模式，由于约6倍的Purcell增强，约56%的耦合效率和约33 μm的传输长度，具有出色的品质因数180，揭示了我们的方法在芯片上实现纳米级功能量子器件的潜力。
2018-01-30 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Electrospun nanodiamond-silk fibroin membranes: a multifunctional platform for biosensing and wound healing applications
下一代伤口护理技术能够诊断伤口参数，促进健康细胞生长，减少病原性感染，非侵入性将为患者提供更好的护理标准和加速伤口修复。温度是慢性伤口特异性的指示生物标志物之一。这项工作报告了一个混合的，多功能的光学平台：纳米金刚石丝膜作为生物启发敷料能够温度传感和伤口愈合。通过静电纺丝制备杂化材料，并形成具有高孔隙率的亚微米纤维膜。丝纤维能够补偿伤口部位细胞外基质的缺乏，支持伤口愈合。纳米金刚石（ND）中带负电荷的氮空位（NV-）色心表现出光学检测磁共振（ODMR）特性，并充当荧光纳米级温度计，能够感测与伤口中感染或炎症相关的温度变化，而无需物理移除敷料。我们的研究结果表明，ND的存在下，在混合ND-丝膜提高丝纤维的热稳定性。嵌在丝纤维中的ND中的NV-色心表现出良好的荧光和ODMR保留。使用NV-中心作为荧光纳米级温度计，我们在细胞培养的ND-丝膜上实现了在一系列温度下的温度感测，包括生物学相关的温度窗口。增强的NV-中心的温度灵敏度的观察到的混合。在鼠伤口愈合模型中进一步体内测试膜，并证明生物相容性和与对照伤口等同的伤口闭合率。此外，混合ND-丝膜显示出对革兰氏阴性铜绿假单胞菌和大肠杆菌的选择性抑制和杀生物倾向。
2020-05-31 physics.app-ph physics.med-ph physics.optics
Mutually enhancing light emission between plasmonic nanostructures and fluorescent emitters
我们证明了荧光发射体可以反过来增加等离子体纳米结构的光发射。在原子力显微镜的帮助下，由荧光纳米金刚石和金纳米颗粒组成的混合系统被组装成一步一步的原位光学测量。我们发现，从纳米粒子的发射增加相比，耦合前。等离子体纳米结构和荧光发射体之间的相互作用被理解为基于量子化光学腔的概念的实体，通过将纳米金刚石和纳米颗粒分别考虑为两级能量系统和纳米谐振器。理论计算表明，等离子体激元耦合效应和介电纳米天线效应都有助于增强金纳米颗粒的发光。
2017-04-25 physics.optics
Decorative Plasmonic Surfaces
低轮廓图案化等离子体表面与广泛类别的硅微结构协同作用，以极大地增强近场纳米级成像、感测和能量收集以及远场自由空间检测。这一概念对MEMS社区感兴趣的几个关键领域产生了明显的影响，包括但不限于用于少量目标分子的灵敏检测的超紧凑微系统，以及用于光学数据存储、微成像和显示的表面器件。在本文中，我们回顾了当前最先进的等离子体理论，以及等离子体集成与微系统，制造技术，并在生物传感，包括折射率为基础的无标记的生物传感，等离子体集成实验室芯片系统，等离子体近场扫描光学显微镜和等离子体芯片上的细胞成像系统的选定应用程序的设计指导。这种范例使微器件上的低轮廓共形表面成为可能，而不是块状材料或涂层，这除了更容易实现、增强的灵活性和可调谐性之外，还为物理、化学和生物相关的传感、成像和光捕获提供了明显的优势。
2017-05-01 physics.optics
A Robust Coherent Single-Photon Interface for Moderate- NA Optics Based on SiV Center in Nanodiamonds and a Plasmonic Bullseye Antenna
单光子的相干交换是应用量子光学的核心。金刚石中带负电荷的硅空位中心是最有希望获得相干单光子的来源之一。它的大德拜-沃勒因子、短寿命和非凡的光谱稳定性在固态单光子源领域是独一无二的。然而，个别中心的激发和检测需要高数值孔径的光学器件，再加上对低温的需要，使实验实现的技术开销。在这里，我们研究了一种基于纳米金刚石中的硅空位中心和金属靶心天线的混合量子光子学平台，以实现相干单光子界面，该界面可以有效地操作到低数值孔径光学器件，具有固有的抗失调性。
2021-02-20 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Efficient simulation for light scattering from plasmonic core-shell nanospheres on a substrate for biosensing
基于半空间格林函数方法，我们开发了一种有效的数值方法来研究由壳覆盖的衬底上的等离子体纳米球的光散射。我们用这种方法研究了DNA分子附着在基底上的金属纳米颗粒的光散射，并与实验进行了比较。我们得到相当好的理论预测和测量的椭偏光谱之间的协议。利用椭圆偏振光谱法（SE）在微流控装置中检测了金属纳米颗粒与DNA分子的结合，发现DNA分子被捕获在金纳米颗粒表面时，椭圆偏振光谱发生了可检测的变化。我们的理论模拟表明，覆盖金纳米球的亚单层的DNA分子，这是由一层薄薄的介电材料建模，确实可以导致一个小的，但可检测的变化，椭圆偏振光谱。我们的研究表明，超灵敏的能力，用于传感亚单层覆盖的DNA分子的金纳米球的SE。
2014-12-28 cond-mat.mes-hall physics.optics
Electroplating based engineering of plasmonic nanorod metamaterials for biosensing applications
使用无标记的生物传感器感测稀释溶液中的较低分子量是具有挑战性的，并且需要小型化的等离子体结构，例如，一种基于垂直Au纳米棒（AuNR）阵列的超材料。传感器的灵敏度主要取决于换能器特性，因此，例如，AuNR阵列几何形状需要优化。物理汽相沉积方法（例如，溅射和电子束蒸发）需要真空环境来沉积Au，这是昂贵的、耗时的并且厚度有限的。另一方面，化学沉积，即，电镀沉积更高的厚度，在更短的时间和更低的成本，成为一种替代方法的Au沉积。在这项工作中，我们提出了一个详细的优化电镀为基础的制造这些超材料。我们发现，微酸性（6.0 < pH < 7.0）的亚硫酸金溶液支持浸没沉积，应尽量减少，以避免不受控制的金沉积。浸没沉积导致板状（对于较小半径的AuNR）或帽状，即，蘑菇状（对于更高半径的AuNR）结构形成。电镀时间和直流电源是决定面积依赖型电镀沉积中垂直排列AuNR阵列几何形状的调谐参数。这项工作将对开发基于等离子体超材料的传感器产生影响。
2022-11-18 physics.app-ph physics.optics
Trends of biosensing: plasmonics through miniaturization and quantum sensing
本文综述了近五年等离激元学与微系统及芯片实验室集成在生物传感中的潜力、局限与改进机会，并展望量子等离激元传感作为克服量子噪声限制的新方向。
2023-04-18 physics.app-ph physics.optics
Ultrabright room-temperature single-photon emission from nanodiamond nitrogen-vacancy centers with sub-nanosecond excited-state lifetime
从耦合到等离子体纳米天线的量子发射器获得的超快发射速率最近在量子信息和传感应用中从根本上打开了新的可能性。等离子体纳米天线通过显著缩短量子发射器的荧光寿命来大大提高其亮度。支持强限制模式的间隙等离子体纳米腔对于这样的应用特别感兴趣。我们证明了从纳米金刚石中的氮空位（NV）中心耦合到纳米尺寸的间隙等离子体腔的单光子发射，其内部模式体积比立方真空波长小约10000倍。由此产生的结构具有亚纳秒NV激发态寿命和高达每秒5000万计数的检测光子速率。荧光饱和度的分析允许提取由纳米天线提供的多阶激发速率增强。效率分析表明，NV中心在远场每秒产生高达2.5亿个光子。
2017-12-02 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Opto-thermoelectric trapping of Fluorescent Nanodiamonds on Plasmonic Nanostructures
本文提出利用金纳米颗粒和银纳米线产生的热等离子体场与表面活性剂光热电效应，在低功率532 nm激光下捕获并追踪120 nm单个FND，为细胞内低功率操控与多模态成像提供平台。
2023-04-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.app-ph
Near-field optical microscopy with a nanodiamond-based single photon tip
我们介绍了一个点状扫描单光子源，在室温下工作，并提供了一个特殊的光稳定性（无闪烁，无漂白）。这是通过以受控的方式在光学探针的顶点处接枝具有单个氮空位色心占据的金刚石纳米晶（尺寸约20 nm）来获得的。作为一个应用，我们在近场成像金属纳米结构，从而实现了近场扫描单光子显微镜在室温下的长期工作。我们的工作可能对纳米科学的各个新兴领域都很重要，这些领域需要量子发射体的准确定位，例如量子等离子体激元学。
2009-09-08 physics.optics
Toroidal Plasmonic Meta-Biosensors: Benchmarking against Classical Plasmonic Biosensors and Transducers
等离子体生物传感器和免疫传感器的快速发展带来了许多方法来采用与多极子，Fano共振和类似时刻的物理学相关的共振亚波长结构。在这里，我们回顾了广泛的传统和新的技术，已被用于开发先进的生物传感工具，包括胶体纳米粒子（NP）为基础的系统，精心设计的元原子和元分子阵列。通过介绍几种重要的、实用的基于亚波长等离子体激元技术的无标记生物传感方法，讨论了环形多极子概念的出现和激发，作为第三类多极子模式，它在提高作为生物靶标的超低质量疾病蛋白质和病毒的传感性能方面取得了革命性的进展。利用环形等离子体元表面的精致和非传统的优点，我们全面评估了环形免疫传感器的检测性能和高质量，用于在皮摩尔（pM）浓度下以优异的检测限（LOD）感测生物蛋白的特征。这种理解清楚地表明了环形元传感器如何成为有前途的临床和药理学工具，可以被认为是传统等离子体传感器和换能器的替代品和大竞争对手。
2018-09-13 physics.app-ph physics.optics
Plasmonic and metamaterial biosensors: A game-changer for virus detection
在与当前和未来流行病的斗争中，最重要的过程之一是对人类病毒的快速诊断和治疗。在这些时代，高灵敏度测试和诊断试剂盒的开发是一个重要的研究领域。等离子体平台，控制光在亚波长卷，开辟了令人兴奋的前景，生物传感应用。其显著的灵敏度和选择性允许非侵入性和快速检测病毒。特别地，等离子体辅助的病毒检测平台可以通过各种方法实现，包括传播表面和局部等离子体共振以及表面增强拉曼光谱。在这篇综述中，我们讨论了等离子体激元生物传感器的基本原理和实现改进的传感器性能的前景。我们强调了几种纳米结构方案，以打击病毒相关疾病。我们还研究了基于等离子体的生物传感的技术限制和挑战，例如降低整体成本和处理复杂的生物样品。最后，我们提供了一个未来的前景，以改善等离子体为基础的方法，以增加其对全球健康问题的影响的机会。
2022-12-12 physics.med-ph physics.optics
Impact of Plasmonic Modes and Thermophysical Properties on the Double-Pulse Structuring of Highly-Ordered LIPSS for Biosensing Applications
Institute of Electronic Structure and Laser (IESL), Foundation for Research and Technology (FORTH)（电子结构与激光研究所，研究与技术基金会）；Department of Physics and Astronomy, Manchester University（曼彻斯特大学物理与天文学系）；Aix Marseille Univ, CNRS, LP3（艾克斯-马赛大学，法国国家科学研究中心，LP3）；Department of Physics, University of Crete（克里特大学物理系）
本研究结合实验与理论，利用优化延迟的双脉冲飞秒激光制备高有序LIPSS，揭示等离子体模式与热物理性质对结构的影响，所得结构可用于高灵敏度等离子体生物传感。
2026-08-24 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other physics.comp-ph
Leakage radiation microscopy of surface plasmons launched by a nanodiamond-based tip
薄的金膜的泄漏辐射显微镜展示了附接到光学尖端的顶点上的荧光金刚石纳米颗粒的集合作为有效的近场表面等离子体激元发射器的能力。在近场扫描光学显微镜中实现基于纳米金刚石的尖端将允许对发射位置进行精确控制，从而为扫描等离子体开辟道路。
2011-06-12 cond-mat.mes-hall physics.optics
Topological Darkness: How to Design a Metamaterial for Optical Biosensing with Virtually Unlimited Sensitivity
针对现有等离激元生物传感器灵敏度受系统损耗和芯片结构限制的问题，提出拓扑暗态超材料的剪刀效应以实现近乎无限的传感灵敏度，实验验证其叶酸检测性能远超同类光学传感器，为超高灵敏度超材料设计开辟新路径。
2023-02-03 physics.app-ph physics.optics
Scanning plasmonic microscopy by image reconstruction from the Fourier space
我们展示了一个简单的方案，用于纳米等离子体结构的高分辨率成像，基本上消除了大部分的分辨率限制允许光通常传输到远场。这是通过在泄漏辐射显微镜（LRM）模式下操作的近场扫描光学显微镜（NSOM）中实施傅立叶透镜来实现的。该方法包括仅从傅立叶空间中收集的等离子体激元“禁止”光重建光学图像。它是通过使用一个点状的纳米金刚石为基础的尖端，照亮了一个薄的金膜图案与亚波长的环形狭缝。与直接在真实空间中获取的NSOM图像相比，狭缝的重建图像显示出增强了因子$\simeq 4$的空间分辨率。
2014-02-25 physics.optics
Nanofabrication of Plasmonic Circuits Containing Single Photon Sources
研究了基于纳米金刚石中氮空位中心激发的介质加载表面等离子体激元波导（DLSPPWs）的光子器件的纳米结构。DLSPPW电路是围绕含有纳米金刚石的NV构建的，这些纳米金刚石被认证为单光子发射体，使用电子束光刻氢倍半硅氧烷（HSQ）在银涂覆的硅衬底上进行抗蚀。用DLSPPW测量了NV单光子发射的传播长度约为20 μm。一个5倍的总衰减率和高达63%的耦合效率的DLSPPW模式的增强实现，表明显着的模式限制。最后，我们展示了单等离子体激元与DLSPPW为基础的定向耦合器的路由，揭示了我们的方法的量子光网络的片上实现的潜力。
2017-08-23 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Probing Peptide Adsorption Kinetics and Regioselectivity via Multipolar Plasmonic Modes of Gold Resonators
本研究利用椭偏测量结合数值模拟，通过金超表面谐振器的多极等离子体模式实时追踪temporin-SHa肽的吸附，揭示了吸附饱和时间与区域选择性，为生物传感中的肽结合监测提供了新方法。
2025-03-21 physics.optics
Topology optimized plasmonic metasurfaces for optical trapping of nanoparticles
提出基于密度的拓扑优化框架，通过最大化梯度力优化等离激元超表面，实现对不同尺寸和材料纳米颗粒的高效光捕获，并引入制造约束以简化设计。
2026-07-03 physics.optics
Modular plasmonic nanopore for opto-thermal gating
本文将等离激元谐振器与PNIPAM集成于纳米孔中，利用热等离激元效应实现毫秒级、微米分辨率的单个纳米孔选择性光学门控，并展示多级离子电导逻辑门控能力，为纳流控智能器件开辟新路径。
2024-05-05 physics.app-ph physics.optics
High-order virtual gain for optical loss compensation in plasmonic metamaterials
针对复频率波在极端损耗下信号迅速衰减至零的问题，提出高阶虚增益合成波方法，在保持损耗补偿效率的同时减缓衰减速率，在等离子体共振系统中实现20倍噪声抑制，广泛适用于成像、生物传感和集成光子信号处理。
2025-05-28 physics.optics
Plasmonic Nanoparticle-based Protein Detection by Optical Shift of a Resonant Microcavity
我们展示了一种生物传感方法，该方法首次将回音壁模式（WGM）的高灵敏度与基于金属纳米颗粒的测定相结合。我们提供了一个基于广义Mie理论的计算模型来解释通过等离子体增强的蛋白质检测的更高灵敏度。我们定量分析了模型蛋白的结合（即，BSA）对金纳米颗粒的吸附，并将结果拟合为吸附等温线，这与双组分吸附模型的理论预测一致。
2011-08-11 physics.ins-det physics.optics
Experimental measurement of plasmonic nanostructures embedded in silicon waveguide gaps
在这项工作中，我们报告的数值模拟和实验的光学响应的金纳米带嵌入在硅带波导间隙在电信波长。我们发现，在透射和反射时，金属纳米结构插入间隙中观察到的光谱特征是非常不同的自由空间激发中观察到的。首先，我们发现引导场和金属纳米结构的电偶极共振之间的干涉导致高对比度（> 10）的光谱特征，其显示出不对称的Fano光谱轮廓。其次，我们揭示了一个交叉的传输和反射响应接近纳米结构的共振波长作为我们的系统的一个关键特征。这种方法可以使用标准的半导体纳米加工工具来实现，可以充分利用片上配置中亚波长金属纳米结构的极端特性，在生物传感或光学开关等领域具有特殊意义。
2016-04-27 physics.optics
Fourier-Engineered Plasmonic Lattice Resonances
光学系统中的共振对于许多应用是有用的，例如频率梳产生、光学滤波和生物传感。然而，这些应用中的许多应用难以在光学超颖表面中实现，因为用于设计多谐振纳米结构的传统方法需要大量的计算和制造工作。为了解决这一挑战，我们引入了傅立叶晶格共振（FLR）的概念，其中可以先验地选择多个所需的共振，并用于指示超颖表面设计。因为每个谐振由不同的表面晶格模式支持，所以每个谐振可以具有高品质因数。在这里，我们实验性地展示了具有任意放置的谐振的几个超表面（例如，在1310和1550 nm处）和在等离子体平台中高达800的Q因子。这种灵活的过程只需要计算一个傅里叶变换的设计，是基于标准的光刻制造方法，允许一个设计和制造的超表面，以适应任何特定的，基于光学腔的应用。这项工作代表了一个重要的里程碑，完全控制的透射光谱的超表面。
2021-12-22 physics.optics
Plasmonic modes of gold nano-particle arrays on thin gold films
在金属薄膜上的金属纳米颗粒的规则阵列具有可调谐的光学共振，可以应用于表面增强拉曼散射或生物传感。为了开发更多的表面选择性几何形状，我们研究了25 nm厚的金膜上的规则金纳米颗粒阵列，与传统的表面等离子体共振设置中使用的对称模式相比，它可以激发具有更好的场限制的非对称表面等离子体模式。通过光学消光光谱，我们确定了我们的结构所维持的等离子体模式。此外，热处理的金属结构的作用进行了研究，揭示了在光学性能上的金的晶体结构的修改的作用。
2012-09-12 cond-mat.mes-hall physics.optics
Evanescent single-molecule biosensing with quantum limited precision
能够检测和跟踪单个未标记生物分子的传感器是理解纳米级生物分子动力学和相互作用以及在其最终检测极限下进行医学诊断的重要工具。近年来，利用光学微腔和纳米等离子体共振器所提供的强增强倏逝场，已经实现了异常的灵敏度。然而，在高场强下，生物样本的光损伤变得越来越成问题。在这里，我们介绍了一种基于光学纳米纤维的倏逝波生物传感器，其在由光的量化引入的基本精度限制下操作。这允许四个数量级的光强度减少，同时保持国家的最先进的灵敏度。它能够对小至3.5 nm的单个生物分子进行量子噪声限制跟踪，并在较长时间内监测表面-分子相互作用。通过实现量子噪声有限的精度，我们的方法提供了一条通往量子增强单分子生物传感器的途径。
2016-11-14 physics.optics quant-ph
SPP-MIM hybridization meta-film: a biosensing structure uniting the merits of SPR and LSPR
本文提出SPP-MIM杂化超薄膜生物传感结构，通过杂化SPP与MIM间隙等离激元，在保持平坦界面的同时显著缩短倏逝深度并提高表面灵敏度，为将LSPR设计转化为稳定生物传感器提供了新途径。
2025-09-20 physics.optics
Mode-matching in multiresonant plasmonic nanoantennas for enhanced second harmonic generation
在极其有限的体积中提升非线性频率转换仍然是纳米光学、纳米医学、生物传感和无背景生物传感中的关键挑战。为了这个目的，等离子体纳米结构中的场增强通常被利用来有效地补偿在纳米级处的相位匹配的缺乏。然而，二次谐波产生（SHG）被原子尺度下等离子体材料和纳米天线设计中的高度对称性强烈猝灭。在这里，我们设计了一个等离子体纳米天线缺乏轴对称性，表现出空间和频率模式重叠的激发和SHG波长。这些功能在单个器件中的有效组合允许获得前所未有的SHG转换效率。我们的研究结果揭示了在纳米尺度上优化SHG的新方法，为基于非线性等离子体平台的新型纳米级相干光源和分子传感器件铺平了道路。
2014-12-10 cond-mat.mes-hall physics.optics
3D Nanoporous Antennas for high sensitivity IR plasmonic sensing
纳米多孔金可用作等离子体材料，用于增强可见光和近红外光谱区域的光谱。特别是，相对于块体金属，它在红外线中呈现出有趣的光学特性，其中相对于常规材料，它呈现出显著更高的场限制。后者可用于实现对环境条件的极高灵敏度，从而实现感兴趣的传感器。在这里，我们比较了由纳米多孔金制成的等离子共振器与由大块金属制成的类似结构的灵敏度。增强的灵敏度的实验测试通过在两个考虑的结构上沉积相同化学计量的电介质材料来进行。这一结果也被短肽的生物传感所证实，可以归因于多孔金属中更好的场约束和增强。这表明纳米多孔3D结构作为传感器平台在近红外中的应用，灵敏度超过4.000 nm/RIU。
2019-09-03 physics.app-ph physics.optics
Plasmonic interaction between nanospheres
当金属（或等离子体）纳米球几乎接触时，在窄间隙区域中可以发生强的光集中。这一现象在纳米光子学、生物传感和光谱学方面具有潜在的应用。对等离子体球之间的强相互作用的理解是相当具有挑战性的。实际上，计算电磁场需要极高的计算成本。另外，经典的镜像电荷法对介质球系统是有效的，但对等离子体球系统却不适用，因为等离子体球具有负折射率。在这里，我们开发了新的分析和数值方法的等离子体球系统，通过澄清之间的连接转换光学和图像电荷的方法。我们推导出两个等离子体球有效的完全解析解。然后，我们开发了一个混合的数值计算方案所产生的任意数量的球体的场分布。我们的方法是高效和准确的，即使在几乎接触的情况下，是有效的等离子体球。
2017-06-25 cond-mat.mes-hall physics.comp-ph physics.optics
Hot Electron Generation and Manipulation in Nano-spiked Plasmonic Cavity Arrays
本文利用有限元方法分析纳米星形尖刺对及其阵列的腔间电场增强，并通过参数研究揭示其高效产生热电子的机制与光捕获、光电探测和光催化潜力。
2023-12-10 physics.comp-ph physics.optics
Molding the flow of light on the nanoscale: from vortex nanogears to phase-operated plasmonic machinery
通过将自由光子转换为局部电荷密度振荡（表面等离子体），将光有效地传递到纳米级体积中，使得从生物传感到光子学和量子计算的各个领域的技术创新成为可能。传统的等离子体纳米结构被设计为无线电天线和波导的纳米级类似物。在这里，我们讨论了一种替代的方法，等离子体纳米电路工程的基础上成型的光学功率流通过“涡旋纳米齿轮”周围的景观的本地相位奇点“钉”到等离子体纳米结构。我们发现，耦合到传输类结构的几个涡旋纳米齿轮的结果在戏剧性的光学效应，这可以解释通过调用一个流体动力学类比的“光子流体”。涡旋纳米齿轮传输（VNT）的新概念为开发复杂的多功能相位操作光子机械提供了新的设计原则，因此为纳米尺度上的光产生、收集和处理创造了独特的机会。
2011-12-07 math-ph math.MP physics.chem-ph
Simple experimental procedures to distinguish photothermal from hot-carrier processes in plasmonics
等离子体金属纳米颗粒的光吸收和散射可以导致非平衡载流子、强电磁近场和热生成，在从化学和物理传感到纳米医学以及用于燃料和化学品的可持续生产的微电子学的广泛领域中具有有前途的应用。然而，解开等离子体激元驱动过程中的热贡献和非热贡献的相对贡献是困难的。纳米尺度的温度测量在技术上具有挑战性，而宏观尺度的实验通常以集体加热效应为特征，这往往会使实际的温度升高不可预测。这项工作的目的是帮助读者实验检测和量化光热等离子体激元驱动的化学反应中的影响，区分他们的贡献，由于光化学过程，并投在当前的文献批判性的眼光。为了这个目的，我们审查，并在某些情况下提出，七个简单的实验程序，不需要使用复杂或昂贵的热显微镜技术。这些建议的程序适用于广泛的实验和研究领域，其中光热效应需要评估，如等离子体辅助化学，多相催化，光催化，生物传感和增强分子光谱。
2020-05-09 physics.chem-ph physics.optics
Site-selective functionalization of plasmonic nanopores for enhanced fluorescence and Förster Resonance Energy Transfer
在这项工作中，我们使用位点选择性功能化策略来用一种或多种荧光染料装饰等离子体纳米孔。使用一种简单而强大的制造方法，我们设法在具有不同内径的介电纳米管上构建单等离子体环。纳米孔的尺寸的调制允许我们在可见光谱范围内定制它们的场限制和它们的Purcell因子。为了研究几何形状的变化如何影响荧光发射效率，巯基共轭染料锚定在等离子体环上，从而形成功能性纳米孔。我们研究了ATTO 520和ATTO 590在两种不同配置下的寿命：单染料和FRET对。对于单一染料配置，我们观察到两种单一染料的寿命随着纳米孔的尺寸减小而减小。最小的纳米孔产生6的实验Purcell因子。对于FRET对配置，我们测量两个制度。对于大的纳米孔尺寸，FRET效率保持恒定。而对于较小的尺寸，随着纳米孔尺寸的减小，FRET效率从30%增加到45%。这些研究结果也得到了数值模拟的支持，可能会开辟新的途径来设计等离子体纳米孔中的能量转移，在光子学和生物传感中具有潜在的应用，特别是在单分子检测测序中。
2018-11-08 physics.app-ph physics.optics
Optically Driven Gold Nanoparticles Seed Surface Bubble Nucleation in Plasmonic Suspension
光热表面气泡在催化、微流体和生物传感等广泛的应用中发挥着重要作用，但它们在浸没在等离子体纳米粒子（NP）悬浮液中的透明基底上的形成具有未知的起源。在这里，我们表明，纳米粒子沉积在基板上的色散光学力是负责这种光热表面气泡的成核。高速摄像表明，表面气泡的形成总是由光学驱动的纳米粒子移动到并粘附到表面之前。我们观察到，形成表面气泡的激光功率密度的阈值根据表面是面向光传播方向的前向还是后向而显著不同，这不能用纯粹的热过程（例如，通过等离子体纳米粒子的体积加热）。这可以归因于实现悬浮液中NP的光学拉动和推动所需的不同光功率密度。光牵引需要更高的光强度来激发纳米颗粒周围的超空化，以实现适当的光学配置。最终，这些光学沉积的纳米颗粒作为表面光热加热器工作，为表面气泡成核接种。我们还发现，有一个临界数密度的沉积纳米粒子在一个给定的激光功率密度成核的表面气泡，它是几乎相同的前向和后向的表面。我们的发现揭示了有趣的物理导致光热表面气泡产生等离子体NP悬浮液。
2020-10-29 physics.flu-dyn physics.optics
Enhanced lasing action and spontaneous emission in periodic plasmonic nanohole arrays
在支持表面等离子体共振的薄金属膜中的空气纳米孔的周期性阵列可以提供一种在纳米尺度上增强光-物质相互作用的替代方法。事实上，纳米孔阵列近年来因其在生物传感、光发射增强和光谱学中的应用而引起了极大的兴趣。然而，纳米孔阵列在新兴技术中的大规模使用需要新的低成本制造技术。在这里，我们展示了一个简单的技术来制造纳米孔阵列，并研究其光子应用。与复杂且最常用的电子束光刻技术相比，通过使用遮蔽纳米球光刻技术和电子束沉积的简单组合来制造纳米孔的六边形阵列。这些阵列被示出为提供具有高于150的品质因数的有机染料液体增益介质的激光发射的增强。另外，对于CdSe量子点集成纳米孔阵列，观察到Purcell因子增加7倍。
2021-06-23 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Tunable Surface Plasmon-Polaritons Interaction in All-Metal Pyramidal Metasurfaces: Unveiling Principles and Significance for Biosensing Applications
本研究揭示了全金属金字塔形超表面中双LSPR模式与SPP波的可调谐双反交叉相互作用机制，发现了稳定的调控型LSPR模式，将P. brasiliensis抗原检测灵敏度较传统LSPR系统提升了三个数量级，为高浓度生物分子传感提供了新方案。
2024-05-21 cond-mat.mes-hall physics.optics
Controlled plasmon-enhanced fluorescence by spherical microcavity
周围的电磁环境可以通过珀塞尔效应设计来自量子发射器的自发发射。例如，等离子体天线可以有效地限制电磁场并增强荧光过程。在这项研究中，我们证明了光子微腔可以调制等离子体增强荧光工程的局部电磁环境。因此，我们构建了一个等离子体增强发射器（PE发射器），其中包括一个纳米棒和纳米金刚石，使用纳米操纵技术。此外，我们控制一个聚苯乙烯球接近PE-发射体，并在原位研究相关的荧光光谱和寿命。与自由光谱范围内的发射相比，PE发射体的发射可以在光子模式下共振增强。由光子模式调制的光谱形状与PS球和PE发射器之间的间隔无关。在PS球耦合到PE发射器之后，荧光衰减速率的带积分可以被增强或抑制，这取决于等离子体天线和光子腔之间的耦合强度。这些发现可用于传感和成像应用。
2021-06-22 physics.optics
Band-edge Bilayer Plasmonic Nanostructure for Surface Enhanced Raman Spectroscopy
大生物分子的光谱分析在许多应用中至关重要，包括医学诊断和无标记生物传感。最近，已经表明蛋白质的拉曼光谱可以用于诊断一些疾病，包括几种类型的癌症。然而，这些实验已经使用传统的拉曼光谱进行，并且适合于大生物分子的表面增强拉曼光谱（SERS）测定的发展可能导致这些实验所需的样本量的大幅减少。我们提出了一种新的方法来实现高的局部场增强表面增强拉曼光谱通过同时调整的晶格等离子体激元和局部表面等离子体激元极化激元，在一个周期性的双层纳米天线阵列，在传感区域的高增强因子，具有相对较高的均匀性。所提出的等离子体纳米结构由两个相互作用的纳米天线层组成，提供尖锐的带边晶格等离子体模式和宽带局部表面等离子体，用于分别增强泵浦和发射的拉曼信号。我们证明了应用所提出的纳米结构的光谱分析的大生物分子结合蛋白质（链霉亲和素）选择性的热点之间的两个堆叠层，使用低浓度的溶液（100 nM），我们成功地获得其SERS光谱。
2015-01-05 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Hybrid plasmonic Bound State in the Continuum entering the zeptomolar biodetection range
研究在银填充二聚体2D系统中实现混合等离激元BIC态，通过调控耦合机制获得高Q因子和强近场增强，成功用于TAR DNA结合蛋白43检测，灵敏度达仄摩尔级。
2024-04-24 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Switchable Organic Plasmonics with Conductive Polymer Nanoantennas
金属纳米结构通过局部等离子体电荷振荡与光发生强共振相互作用，因此成为纳米光学的关键元素。它们在纳米级对光进行整形的能力使它们在许多领域都很重要，包括生物传感，能量转换和超平面光学。动态纳米天线的另一个方向是可以预见的，从用于微型医疗设备的可调超透镜到控制辐射流入和流出建筑物的自适应窗口。然而，使纳米光学天线能够动态可控仍然具有很大的挑战性，特别是对于具有固定介电常数的传统金属。在这里，我们提出了国家的最先进的导电聚合物作为一类新的有机等离子体材料的氧化还原可调纳米光学。通过实验和模拟，我们表明，高导电聚合物的纳米盘可以通过激发偶极局部表面等离子体共振提供清晰的光学消光峰。共振频率红移与增加纳米盘的纵横比，与偶极极化率理论的基础上的分析计算。此外，我们证明了通过聚合物的氧化还原状态的化学调谐的有机纳米天线的光学响应的完全切换，其有效地调制等离子体和非等离子体制度之间的材料介电常数。因此，我们的研究结果表明，导电聚合物纳米结构可以作为氧化还原可调等离子体纳米天线，基于双极化载流子，而不是在传统的金属电子。未来的方向可能会研究不同的聚合物和几何形状，以进一步扩大等离子体光谱范围（这里约为0.8至3.6 μm）以及不同的调谐方式。
2019-07-26 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Nanostructures for in-situ surface-enhanced Kretschmann-Raether ellipsometry
椭偏光谱是一种灵敏的、光学模型支持的界面监测定量工具。在这项工作中，固-液界面研究使用Kretschmann-Raether配置的生物传感应用。界面层同时支持两个目的：（i）用于吸附待检测分子的化学适用性和（ii）信号的光学增强以增加灵敏度。椭偏测量不仅用作传感器，而且还用作定量测量工具，以研究和理解界面现象，并开发传感层以获得最大可能的光学灵敏度。等离子体和结构化层在光学灵敏度方面是最重要的。在横向和垂直方向上的层结构进行了研究。开发了基于传递矩阵和有限元法的光学模型，并用于结构分析，其中材料和几何导数用于模型数据与测量的逆拟合过程。利用等离子体激元，衍射，多层场增强，和其他方法的结构进行了分析，作为可能的候选人的光学性能的改善的细胞。利用Kretschmann-Raether（KR）几何结构，开发了组合和周期性等离子体表面结构，以提高固液界面处的原位椭圆偏振测量的灵敏度。为了提高基于KR排列的传感器的性能，研究了具有可变成分的Ag-$_x$-Al $_{1-x}$层和具有可变周期和临界尺寸的Au层。
2023-03-26 physics.optics
Suppressing Plasmonic Heating in Aqueous Environments with Hexagonal Boron Nitride
Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）；Institute of Complex Molecular Systems, Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学复杂分子系统研究所）；Institut Fresnel, CNRS, Aix Marseille Univ, Centrale Med（法国国家科学研究中心艾克斯马赛大学中央理工马arseille学院菲涅尔研究所）；Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2), CSIC and BIST（加泰罗尼亚纳米科学与技术研究所）
研究通过六方氮化硼薄片降低金纳米球在水中的等离子体加热，结合仿真与实验验证了其热管理效果及设计指导意义。
2026-05-01 cond-mat.mes-hall physics.optics
Unidirectional single-photon emission from germanium-vacancy zero-phonon lines: Deterministic emitter-waveguide interfacing at plasmonic hot spots
为了实现纳米级的固态单光子源，我们研究了基于单晶纳米金刚石（ND）中孤立的单个锗空位（GeV）中心的类原子量子发射体。低温表征表明，与大块金刚石中的GeV中心相比，其基态的能量分裂增强高达6倍（即，在高应变ND中高达870 GHz，而在体中为150 GHz）。利用光刻对准技术，我们展示了一个集成的纳米光子平台，用于确定性接口等离子体激元波导与隔离GeV中心的ND，使单光子衰减率的10倍增强，以及通过明智地设计和定位布拉格反射器的发射方向控制。这种方法允许人们实现从单光子偶极源的单向发射，引入了一种新的方法，该方法是基于手性相互作用或拓扑保护的传播方向相关的技术的替代。所开发的基于等离子体激元的纳米光子平台由此为量子纳米光子学开辟了新的前景，特别是实现单光子和自旋量子比特之间的纠缠。
2019-03-13 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Ballistic Metamaterials
自由电子与电磁激发的相互作用是负责光的超强约束的基本机制，这反过来又使生物传感、近场显微镜、光学隐身、亚波长聚焦和超分辨率成像成为可能。这些独特的现象和功能主要依赖于由自由电子产生的光学元件的负介电常数。因此，纳米光子学和纳米光学的进展通常与在感兴趣的光频率下的新的负介电常数（等离子体）介质的开发有关。在这里，我们表明，在这种导电介质中的自由载流子的基本流动性显着改变了众所周知的自由电子气体的光学响应。我们表明，与自由电子的时间周期性运动的相互作用的亚波长尺度的纳米结构和时间周期性的电磁场的限制相关的弹道共振导致介质的电极化的强度的显着增强-的点，其中可以实现在复合材料中仅使用正的体介电常数组件的等离子体响应。这种弹道共振打开了等离子体，纳米光子学和超材料领域的许多新的组成材料，直到现在被认为是不适合这样的应用，并扩展了现有材料的工作频率范围，大大缩短了波长。作为一个概念的证明，我们实验证明，弹道共振在所有半导体超材料的结果在强烈的各向异性（双曲线）响应远高于超材料组件的等离子体频率。
2019-12-19 cond-mat.mes-hall physics.optics
Tip-and plasmon-enhanced infrared nanoscopy for ultrasensitive molecular characterizations
我们提出了一种新的方法，用于超灵敏的红外（IR）振动光谱的分子与纳米足迹相结合的尖端增强的散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）和等离子体增强的呼吸模式（BM）等离子体共振的石墨烯纳米盘（GNDs）。为了证明这一点，我们开发了一种定量模型，能够准确计算纳米级样品的s-SNOM信号。通过我们的建模，我们表明，s-SNOM尖端可以有效地激发栅极可调谐BM等离子体共振在GNDs与强场增强和灵敏的依赖于GND的大小。此外，我们证明了尖端激发的等离子体BM的强电场可以强烈增强分子的红外振动模式。因此，通过s-SNOM可以容易地观察到尺寸低至1- 2nm的单个分子颗粒的IR振动特征。我们的研究揭示了未来的超灵敏红外生物传感，同时利用尖端和等离子体增强。
2023-01-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Tailoring Mie Resonances in Cupric Oxide Particles for Use as Nanoantennas
纳米光学领域随着等离子体金属而发展。金属如银、金和铜纳米颗粒，由于被称为局部表面等离子体共振（LSPR）的特殊性质，可以在纳米尺度上集中电磁（EM）场。这为纳米光学、太阳能收集、太阳能电池和生物传感等广泛应用奠定了基础。然而，存在与等离子体金属相关联的固有问题，例如高的热损失，以及它们不能像半导体制造工艺那样按比例放大。此外，场增强仅限于电场。所有这些一起抑制了PMN在实际应用中的更广泛使用。在这项工作中，我们报告亚微米氧化铜（CuO）颗粒具有中等的折射率，可以表现出强大的电磁Mie共振与强消光/散射截面相当或略超过他们的等离子体对应。通过开发具有强形状和尺寸控制的颗粒合成技术，光学光谱和有限差分时域模拟，我们表明，米氏共振峰波长是大小和形状相关的。这提供了在可见光到近红外区域中的可调谐性，用于收集更宽部分的太阳光谱。因此，亚微米氧化铜颗粒表现出强大的潜力，新兴的高性能替代PMNs。强烈的电磁米氏共振介导的纳米天线效应属性，CuO颗粒可以潜在地用于大量的应用，包括表面增强拉曼光谱，超材料，纳米材料和光子晶体。
2022-01-17 physics.app-ph physics.optics
Grating-Coupling-Based Excitation of Bloch Surface Waves for Lab-on-Fiber Optrodes
本文研究了在单模光纤尖端激发布洛赫表面波的可能性。在这个框架内，探索了一个理想化的，基于光栅耦合原理的方案，用于尖端激发的BSW后，我们专注于一种替代配置，这是更强大的制造相关的非理想性。随后，鉴于无标记的化学和生物传感，我们提出了一个具体的设计，旨在提高灵敏度（在波长偏移方面）所产生的共振相对于周围环境的折射特性的变化。数值结果表明，所获得的灵敏度与最先进的等离子体生物探针所表现出的灵敏度一致，其主要优点是表现出更窄的光谱共振。这项原型研究为新型小型化高性能表面波光纤设备铺平了道路，用于高分辨率无标记光学生物传感，并代表了“光纤实验室”技术路线图的重要一步。
2016-10-09 cond-mat.mes-hall physics.optics
Synthesis of hybrid gold-protein nanobioconjugates with strongly enhanced circular dichroism
Sorbonne Universit\' e , CNRS, Institut des NanoSciences de Paris, INSP, F-75252 Paris, France；Sorbonne Universit\' e , CNRS, Laboratoire de R\'eactivit\'e de Surface, LRS, F-75252 Paris, France；Sorbonne Universit\' e , CNRS, Institut Parisien de Chimie Mol\'eculaire, IPCM, F-75252 Paris, France；Aix-Marseille Universit\' e , CNRS, Centrale Marseille, Institut Fresnel, 13013 Marseille, France
研究利用纳米光子学控制手性光-物质相互作用，通过金纳米颗粒与光合蛋白静电耦合形成混合纳米生物共轭物，结合数值模拟和测量，发现可增强圆二色性，揭示三种效应，为相关领域开辟新途径。
2026-07-29 physics.optics
Nanoplasmonic Optical Fiber Sensing of SARS-CoV-2 Nucleocapsid Protein Using an Aptamer-DNA Tetrahedron Interface
本研究开发了一种基于等离子体金涂层TFBG的光纤生物传感平台，通过功能化适配体并集成DNA四面体纳米结构，实现了对SARS-CoV-2 N蛋白的实时无标记超灵敏检测，信号强度提升约2.5倍。
2025-06-30 physics.optics q-bio.QM
