异二聚体 NPoF 纳米腔中石墨烯的等离激元增强拉曼散射

《Applied Surface Science》：Plasmonic enhanced Raman scattering of graphene in heterodimer NPoF nanocavity

【字体：大中小】 时间：2026年09月19日 来源：Applied Surface Science 6.6

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　　 •异二聚体NPoF纳米腔中的电磁场分布受到调制。•神经网络建模加速了异二聚体NPoF纳米腔的逆向设计。•石墨烯SERS验证了NPoF纳米腔中6.7倍的拉曼增强。引言表面等离激元（SP）能够将入射光限制在深亚波长尺度，并在金属纳米结构表面产生强烈的局域电磁场增强。因此，它们已被

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异二聚体NPoF纳米腔中的电磁场分布受到调制。
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神经网络建模加速了异二聚体NPoF纳米腔的逆向设计。
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石墨烯SERS验证了NPoF纳米腔中6.7倍的拉曼增强。

引言

表面等离激元（SP）能够将入射光限制在深亚波长尺度，并在金属纳米结构表面产生强烈的局域电磁场增强。因此，它们已被广泛应用于表面增强拉曼光谱（SERS）[1], [2], [3]、单分子检测和纳米级光场操控中 [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14]。近期，多波长SERS策略被开发出来，以从复杂生物样本中获取更全面的化学信息，从而提高临床应用中的诊断准确性 [15]。同样，SERS与可穿戴水凝胶传感器和人工智能的集成，使得能够通过汗液分析非侵入性地监测肺癌的治疗效果 [16]。基于这一趋势，SERS与其他临床模式（如颈动脉超声成像）的集成，通过结合分子指纹和宏观病理特征，进一步提高了诊断性能 [17]。在各种纳米腔构型中 [18], [19]，薄膜上纳米颗粒（NPoF）结构——由金属纳米颗粒与底层金属薄膜中的镜像电荷之间的强耦合驱动——可以在纳米到埃米尺度的间隙内形成高度局域的间隙等离激元模式，在超小模式体积内实现极端的电磁能量压缩 [20], [21]。由于其热点位置的确定性和与二维（2D）材料集成的便利性，NPoF结构已成为研究纳米尺度光-物质相互作用的关键模型平台 [22], [23]。

先前的研究表明，NPoF系统中的强烈场增强主要来源于纳米颗粒的局域表面等离激元共振（LSPR）与金属薄膜内镜像电荷之间的相干耦合 [24]。与单颗粒NPoF架构相比，薄膜上二聚体（二聚体NPoF）结构在相邻颗粒之间引入了额外的横向混合耦合。这建立了一个多通道耦合框架，同时包含垂直的颗粒-薄膜耦合和横向的颗粒-颗粒混合耦合 [25], [26]。在这种分层耦合系统中，电磁能量在颗粒-颗粒间隙和颗粒-薄膜间隙之间进行复杂的重新分配，可能导致非对称几何结构内局域热点处的能量聚焦效应 [27]。

然而，由于局域场增强对亚纳米级几何扰动高度敏感，使用传统全波模拟方法在高维参数空间内进行全局优化通常会产生高昂的、难以承受的计算成本 [28], [29]。近期，基于代理模型的数据驱动优化方法已被广泛应用于纳米光子学结构设计中。通过建立几何参数与光学响应之间的非线性映射，这些方法能够实现对复杂构型的快速预测和逆向设计 [30], [31]。与此同时，机器学习也被应用于SERS光谱分析，用于在汗液等复杂生物流体中识别生物标志物，其中分类模型有助于基于拉曼指纹区分不同的分析物 [32]。

在本信中，我们聚焦于异二聚体薄膜上纳米腔，开发了一种结合机器学习代理模型的结构优化策略，在高维参数空间内高效识别出能产生极端场增强的构型。此外，通过引入单层石墨烯作为二维拉曼探针构建实验平台，我们证明SERS表征结果与算法预测高度吻合。这项工作不仅绕过了设计复杂等离激元设备固有的计算瓶颈，还建立了一个“理论预测-自适应优化-实验验证”的完整闭环，为设计高灵敏度定量光谱检测平台提供了一种高效的范式。

各章节摘要

银纳米线的制备

实验所用试剂包括聚乙烯吡咯烷酮（PVP，分子量1300000）、乙二醇（EG，99%）、氯化铜（CuCl₂·2H₂O）、硝酸银（AgNO₃）和无水乙醇。所有试剂均直接使用，未经进一步纯化。实验过程中全程使用实验室自行制备的去离子水。银纳米线是通过用氯化铜还原硝酸银合成的。

石墨烯复合结构的制备

单层石墨烯是在管式炉化学气相沉积中合成的

NPoF系统中的电场增强研究

图1(a)和(b)展示了异二聚体薄膜上纳米颗粒（异二聚体NPoF）纳米腔的几何构型及其定义的几何参数。通过在金（Au）薄膜上引入两个半径可调（

R_{L}

和

R_{R}

）的银（Ag）纳米颗粒，该结构建立了一个分层耦合框架，包含横向颗粒间间隙（

d_{P}

）和垂直颗粒-薄膜间隙（

d_{F}

）。在偏振激发下，等离激元响应表现为三个空间上截然不同的热点。以

结论

总之，我们系统地阐明了异二聚体NPoF纳米腔中不同区域热点强度受结构参数和激发波长支配的调控机制。通过将神经网络代理模型与自适应优化框架相结合，在计算预算受限的情况下，实现了产生极端近场增强构型的高效优化驱动筛选。单层石墨烯SERS实验

CRediT作者贡献声明

熊宏远：论文撰写 – 初稿，调查研究，形式分析，数据管理。陈兆贤：形式分析，数据管理。王鑫：形式分析，数据管理。何江豪：论文撰写 – 审阅与编辑，项目管理，获取资金，形式分析。黄应州：论文撰写 – 审阅与编辑，监督，方法学，形式分析，概念构思。

利益冲突声明

作者声明，他们没有任何已知的竞争经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本论文中报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（12374342）、重庆市博士后创新人才支持计划（CQBX202524）以及重庆大学大型仪器设备共享基金的资助。作者也衷心感谢沈军教授在石墨烯样品制备方面提供的慷慨支持。作者感谢沈军教授对石墨烯材料的支持。

熊宏远|陈兆贤|王鑫|何江豪|黄应州

引言