红外光谱能够精准反映分子振动的信息，是鉴别材料成分和结构的重要手段。但是对于微量纳米材料的红外表征却存在信号弱、精度差等问题难以获得有效信息，这主要是由于纳米材料与微米波长的红外光之间相互作用十分微弱导致的。等离激元可以增强红外光与分子之间相互作用，但传统金属表面等离激元工作频率集中在可见光范围且无法动态调控，难以满足增强红外光谱的应用需求。

近日，国家纳米科学中心的戴庆研究员课题组开发了一种基于独特的CaF₂纳米薄膜介电基底的石墨烯等离激元红外指纹增强芯片。这种芯片既避免了介电环境中介质声子与石墨烯等离激元耦合对红外光场增强的干扰，又发挥了石墨烯等离激元的电学动态可调特性使得工作区域覆盖了整个红外指纹区域（650cm^-1-1350cm^-1）。分析实验数据发现石墨烯表面残留的亚纳米厚度的聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）薄膜的红外响应，充分展现了该增强方法具有实现亚纳米级别分辨率的潜力。进一步研究表明,该方法可对8nm厚度聚氧化乙烯（PEO）薄膜指纹区的全部14种分子振动进行增强，增强倍数可达20多倍。此外，该芯片还可以同时实现对面内和面外的分子振动进行增强，这是由于石墨烯等离激元的局域电场可与三维空间不同振动方向的电偶极子耦合。该工作为实现红外光谱的微量分析提供了一种新方法，在化学分析、生物探测和食品安全等领域具有重要的应用前景。 

目前，相关研究成果发表在《自然-通讯》上（http://www.nature.com/articles/ncomms12334）。该工作得到了国家重点基础研究发展计划（2015CB932400），国家自然科学基金（51372045，11504063，11174252，11474006，51522201 and 91433102）以及国际合作项目（2014DFR10780）等项目的支持。 

图：（a）石墨烯等离激元红外增强芯片的结构示意图；（b）8 nm厚PMMA薄膜增强前后的红外光谱。