日前，天津大學材料學院楊靜教授團隊開發了一種簡便、高效的激光液氮直寫技術，可在鋁片上一步制備面積為1平方厘米左右、具有高密度等離激元“熱點”的三維雜化鋁納米結構的等離激元納米材料。該成果論文發表在《先進功能材料》上，該研究得到了國家自然科學基金委資助。

等離激元是在金屬表面區域的一種自由電子和光子相互作用形成的電磁場振動模式。等離激元納米材料在入射光的照射下，會產生局域表面等離激元共振現象，從而在材料表面形成很強的電場，因而在太陽能利用、光譜傳感器等領域擁有廣泛的應用前景。

兩個金屬納米顆粒之間如果距離適中會產生強電場。電場增強的現象稱為“熱點”。“熱點”可顯著提升光譜傳感器的靈敏度，從而提高太陽能轉化為電能或化學能的效率。因此，納米結構中，如何使兩個金屬納米顆粒之間形成適中的距離是形成“熱點”的關鍵。

傳統貴金屬(金、銀)等離激元材料成本高，且銀表面易氧化導致穩定性不佳。金屬鋁是一種新興的、廉價等離激元材料，具有深紫外到可見光波段等離激元共振特性，且穩定性強。然而，目前已報道的鋁納米結構主要是由孤立的納米顆粒構成的二維陣列，結構單元之間距離很大，“熱點”較低。

楊靜團隊開發的三維雜化鋁納米結構是由三維堆積的氧化鋁核殼納米顆粒自組裝而成。制作方法是先把鋁片浸泡在液氮里面，利用激光直寫技術，通過預先設計好的路線控制激光在鋁片上的輻照區域而生成。材料中的每個顆粒都形成了納米級的氧化鋁層，相鄰顆粒之間的納米級厚度的氧化鋁層使得兩個顆粒之間距離適中，能夠激發強烈的等離激元共振的相互作用，形成高密度的熱點，氧化層表面的電場增強明顯高于其他鋁納米結構。

此外，雜化結構的三維堆積結構同等面積較以往的二維結構可進一步提高“熱點”密度。這種大面積、高密度“熱點”的鋁納米結構具有很強的深紫外到可見光寬波段的光捕獲能力，進而提高了太陽能轉化為電能或化學能的效率。

該材料可直接作為紫外-表面增強拉曼光譜的襯底，應用于濃度極低的痕量分子檢測。三維雜化鋁納米結構的表面增強拉曼光譜增強效果比已報道的鋁納米材料高出了三個數量級。另外，以往的貴金屬等離激元材料只能用一次，該結構的等離激元材料則具有長達六個月的穩定性，并且可以多次重復使用。

參考來源：天津大學新聞