模板辅助组装非手性纳米颗粒构建手性等离子体超晶格及其圆偏振发光调控

研究人员通过模板辅助自组装技术，将普通贵金属胶体（Au/Ag纳米球和纳米棒）组装成具有三叉戟图案的手性等离子体超晶格。该结构在可见-近红外区域展现出高达0.4的g因子，并通过折射率匹配将外征手性响应放大至g=±1.2。研究进一步证明该超晶格可使非手性有机染料产生20%不对称度的圆偏振发光（CPL），为手性光学材料提供了可扩展的制备方案。

　　

在自然界中，手性现象广泛存在于蛋白质、脂质和氨基酸等生命基本组分中。手性分子对左旋和右旋圆偏振光的不同响应（即圆二色性CD）是区分对映体的重要手段，其强度通常用g因子（Kuhn's dissymmetry factor）量化。然而，天然分子的手性光学响应往往较弱，这源于生物分子尺寸与光波长之间的巨大差异。近年来，手性等离子体纳米结构因其独特的光-物质相互作用特性（如负折射率、非互易光传播等）备受关注，但其复杂的三维几何结构给规模化制备带来巨大挑战。

传统电子束光刻技术虽能制备近红外波段的手性纳米结构，但难以实现可见光波段的应用。化学合成的手性金属胶体（如金纳米颗粒）虽取得进展，但g因子通常局限在0.2左右。更关键的是，目前尚缺乏对银胶体有效的手性调控方法。针对这些挑战，研究人员开发了基于弹性体模板的自组装技术，通过预图案化的三叉戟阵列引导普通金属胶体形成强手性响应的等离子体超晶格。

研究团队采用有限时域差分法(FDTD)优化设计了三叉戟单元结构，其三个弯曲臂（半径200nm，宽度75nm）以5°螺旋角排列成六方晶格（晶格常数500nm）。通过聚二甲基硅氧烷(PDMS)印章引导，金/银纳米球（20-54nm）和金纳米棒（60×15nm）在玻璃基底上自组装成16mm²的手性阵列。关键实验技术包括：1）电子束光刻制备硅模板；2）UV纳米压印制备PDMS印章；3）胶体化学合成尺寸可调的金属纳米颗粒；4）角度分辨透射光谱和电子能量损失谱(EELS)表征；5）圆偏振发光(CPL)测试系统。

结构表征显示，27nm银纳米球形成的三叉戟阵列结构完整性最佳，缺陷密度低于5%。EELS图谱证实了与FDTD模拟一致的等离子体模式分布，电场主要集中于三叉戟臂内侧和尖端（图1g）。通过调节胶体尺寸（20-36nm银球，27-54nm金球）可系统调控表面晶格共振(SLR)波长（650-750nm）。

光学特性方面，银胶体阵列在正常入射下展现最高g因子（0.4），是金胶体（0.18）的2.2倍。角度分辨测量发现：1）折射率匹配油(n=1.518)覆盖时，±14°观测角下g因子放大至±1.27（738nm）；2）环氧树脂涂层(n=1.6)进一步将g因子提升至1.5（21°观测角）。这种增强源于六方晶格(1,1)和(-1,-1)衍射模式的手性选择性耦合（图4b）。

圆偏振发光应用中，非手性IR-140染料与SU8光刻胶混合后旋涂于阵列表面，在760nm激发下产生不对称度达0.55的CPL（图5c-h）。这种响应具有角度可调性：-20°时g_lum=+0.55，+20°时符号反转，而正常入射时无手性响应，证实了外征手性的主导作用。

该研究通过模板辅助组装实现了三个突破：1）首次赋予银胶体强手性响应（g=0.4）；2）创纪录地将外征手性g因子提升至1.5；3）开发出角度可调的CPL增强平台。这种可扩展的制备方法为手性等离子体器件在偏振光学、生物传感和量子通信等领域的应用开辟了新途径。特别值得注意的是，研究揭示了三叉戟几何结构在耦合内征与外征手性方面的独特优势，为未来设计多功能手性超材料提供了重要参考。