Nano Lett.：金纳米棒基纳米结构的几何调制磁共振光学活性

【引言】

圆二色性（CD）响应是一种在纳米尺度下出现的光学活性。磁圆二色性（MCD）响应源于磁场对时间反转对称性的破坏。对于传统的分子材料，磁场是诱导和操纵其光学活性的最有效途径之一。分子尺度的MCD光谱可以揭示电子能级的简并信息。目前对分子MCD的理解已经相对成熟，然而对纳米尺度MCD起源的研究仍处于初级阶段，大量的问题依然亟待解决。

【成果简介】

近日，国家纳米科学中心的唐智勇和北京应用物理与计算数学研究所的张伟(通讯作者)等在Nano Letters上发表了题为“Geometry-Modulated Magnetoplasmonic Optical Activity of Au Nanorod-Based Nanostructures”的研究论文，报道了金纳米棒基纳米结构的几何调制磁共振光学活性的最新研究进展。研究人员选取金纳米棒（GNRs）为研究对象，结合理论计算，系统研究了MCD响应与一维GNRs内的光学对称性和几何因子的内在关系。研究发现：GNRs的几何因子是产生高度可调MCD信号的关键因素。不同几何构型的GNRs纳米组合体表现出差异明显的MCD响应特性。GNRs的各向异性形状导致了横向表面等离子体共振（TSPR）和纵向表面等离子体共振（LSPR）模式之间的不对称性，从而形成了具有不同线形的MCD响应。通过改变GNRs的长宽比，可以调节材料的MCD响应特性。

【图文导读】

图-1. 不同几何形貌金纳米结构的透射电子显微镜（TEM）图片、MCD光谱和紫外-可见-近红外（UV-vis-NIR）光谱。

(a)分散良好的GNSs的TEM图片，比例尺：100 nm。

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

(c)长宽比为3，分散良好的GNRs的TEM图片, 比例尺：100 nm。

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

注：MCD光谱是在磁场强度B = 1.6 T的条件下，根据ΔA（磁场的左和右圆偏振光的吸光度之间的差异）除以A _SPR/LSPR（GNS的SPR峰值吸光度或GNR的LSPR峰值吸光度）的比值进行绘制。所有的UV-vis-NIR吸收光谱则是根据A（吸光度）除以A_SPR/LSPR（GNR的GNS或LSPR峰值的SPR峰值的吸光度）的比值进行绘制。

图-2. 不同长宽比的GNRs的TEM图片、MCD光谱和UV-vis-NIR光谱。

(a)长宽比为2.1的GNRs的TEM图片，比例尺：100 nm。

(b)长宽比为2.4的GNRs的TEM图片，比例尺：100 nm。

(c)长宽比为3.0的GNRs的TEM图片，比例尺：100 nm。

(d)长宽比为3.7的GNRs的TEM图片，比例尺：100 nm。

(e)长宽比为3.9的GNRs的TEM图片，比例尺：100 nm。

(f)不同长宽比的GNRs的MCD光谱，磁场强度B=1.6 T。

(g)不同长宽比的GNRs的UV-vis-NIR光谱。

图-3. GNRs中的对称性和MCD相应示意图。

(a)GNRs中的TSPR和LSPR 模式对称性示意图。

(b)TSPR带（蓝色区域）和LSPR带（橙色区域）的MCD响应;红色曲线表示实验MCD信号。

图-4. 不同几何构型GNRs组合体的TEM图片、CD光谱和UV-vis-NIR光谱。

(a)肩并肩（SS）构型GNRs的TEM图片，比例尺：50 nm。

(b)长宽比为2.3的SS构型GNRs和分散的GNRs参比的CD光谱(上曲线)和UV-vis-NIR光谱（下曲线），磁场强度B=1.6 T。

(c)头对头（EE）构型GNRs的TEM图片，比例尺：50 nm。

(d)长宽比为2.3的EE构型GNRs和分散的GNRs参比的CD光谱(上曲线)和UV-vis-NIR光谱（下曲线），磁场强度B=1.6 T。

图-5. 不同长宽比分散性GNRs计算得到的MCD光谱。

【小结】

本文以分散性良好的球形金纳米颗粒（GNSs）和金纳米棒（GNRs）为研究对象，结合实验数据与理论计算，系统研究了纳米尺度下材料的几何调制磁共振光学响应。GNRs中的几何因子是产生高度可调MCD信号的关键因素。通过MCD光谱法，证明了表面等离子体共振（SPR）模式的对称性与光谱信息之间的直接关系；通过调节GNRs的长宽比或几何构型，实现了对MCD响应位置和幅度的调节。理解几何因子的重要性为实现纳米尺度磁致谱响应的复杂调制奠定了基础，为未来纳米光学器件的设计和应用提供了一定的思路参考。

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

本文由材料人编辑部张杰编译，黄超审核，点我加入材料人编辑部。

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