【摘 要】
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基于扫描探针显微镜的纳米级傅里叶变换红外光谱（nano-FTIR）能够以高空间分辨率（～10 nm）识别表面物种的化学组成和结构,特别是无损且无需标记的指纹识别,这对于探索催化反应过程,细胞过程,病毒检测等至关重要。但是,由于分子与红外光之间的弱耦合（大的尺寸失配）,使用nano-FTIR表征单个分子（＜10nm）的指纹信息仍然具有挑战性。如何增强光与物质的相互作用,提高光场与分子间的耦合效率是实
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基于扫描探针显微镜的纳米级傅里叶变换红外光谱（nano-FTIR）能够以高空间分辨率（～10 nm）识别表面物种的化学组成和结构,特别是无损且无需标记的指纹识别,这对于探索催化反应过程,细胞过程,病毒检测等至关重要。但是,由于分子与红外光之间的弱耦合（大的尺寸失配）,使用nano-FTIR表征单个分子（＜10nm）的指纹信息仍然具有挑战性。如何增强光与物质的相互作用,提高光场与分子间的耦合效率是实现单分子水平指纹信息探测的核心问题。因此,本文主要在极化激元与近场光学技术相结合的条件下来提高光场与分子间耦合效率方面展开研究,其主要内容如下:1.利用模拟仿真的方法研究声学声子极化激元（APhPs）的性质。我们构筑了单层α-MoO3/Au的范德华异质结构,其中Au衬底带有0.6nm深的纳米腔。在红外光的照射下,纳米腔上方的α-MoO3产生的声子极化激元（Ph Ps）与纳米腔中的镜像电磁场相互耦合形成声学声子极化激元。声学声子极化激元具有极强的场束缚能力,可将入射光压缩1114倍,和极小的模式体积(VAPhPs～10-11V0),并且声学声子极化激元具有极慢的群速度（Vg～c/10~5）。电场能量被挤压在纳米腔中形成电场热点,可将电场能量增强10~7以上,极大的增强了光与物质的相互作用。2.利用模拟仿真的方法研究在近场光学激发条件下,利用α-MoO3/Au范德华异质结构对单分子进行探测识别。我们将α-MoO3/Au范德华异质结构中的单层α-MoO3设计成纳米条带,可实现对声学声子极化激元的调控以及进一步增强电磁场能量至10~9,可以满足单个分子探测所需的电磁场能量增强（10~5）。在声学声子极化激元的协助下,单个分子的信号可被增强45倍。此外由于声学声子极化激元的各向异性,声学声子极化激元与面内不同偶极子取向的单分子间耦合效率不同,最大可相差20倍。因此声学声子极化激元还可以作为识别单分子面内偶极子取向的探针。此外,声学声子极化激元协助的nano-FTIR提高了针尖z方向偶极子与单分子面内方向（x-y）偶极子间偶极-偶极相互作用,提高了探测效率。
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