Localized surface plasmon resonances in nanostructures to enhance nonlinear vibrational spectroscopies: Towards an astonishing molecular sensitivity

Beilstein Journal of Nanotechnology

Volumn 5, Issue 1, 2014, Pages 2275-2292

  Lis, Dan ^a   Cecchet, Francesca ^a  

^a UNIVERSITY OF NAMUR   (Belgium)

Author keywords

Coherent anti Stokes Raman scattering (CARS); Nonlinear optical spectroscopies; Sum frequency generation (SFG); Surfaces plasmon resonance; Vibrational spectroscopies

Indexed keywords

COHERENT SCATTERING; IMAGING TECHNIQUES; INTERFEROMETRY; LIGHT ABSORPTION; MOLECULES; NONLINEAR OPTICS; PLASMONS; RAMAN SCATTERING; RAMAN SPECTROSCOPY; RESONANCE; SURFACE PLASMON RESONANCE; VIBRATIONAL SPECTROSCOPY;

COHERENT ANTI STOKES RAMAN SCATTERING; LOCALIZED SURFACE PLASMON RESONANCE; NONLINEAR OPTICAL SPECTROSCOPY; NONLINEAR VIBRATIONAL SPECTROSCOPY; PLASMON RESONANCES; SUM FREQUENCY GENERATION; SURFACE ENHANCED RAMAN SCATTERING (SERS); SURFACE-ENHANCED INFRARED ABSORPTIONS;

SURFACE SCATTERING;

EID: 84938218975     PISSN: None     EISSN: 21904286     Source Type: Journal    
DOI: 10.3762/bjnano.5.237     Document Type: Review

References (91)

1. Frey, B. L.; Corn, R. M.; Weibel, S. C. Polarization-Modulation Approaches to Reflection-Absorption pectroscopy. In Handbook of Vibrational Spectroscopy, Chalmers, J. M.; Griffith, P. R., Eds.; John Wiley and Sons, Ltd.: Chichester, UK, 2001; Vol. 2, pp 1042-1056.
2. Aroca, R. Surface-Enhanced Vibrational Spectroscopy, John Wiley and Sons, Ltd.: Chichester, UK, 2006. doi:10.1002/9780470035641
3. Evans, C. L.; Xie, X. S. Annu. Rev. Anal. Chem. 2008, 1, 883-909. doi:10.1146/annurev.anchem.1.031207.112754
4. Aroca, R.; Ross, D. J.; Domingo, C. Appl. Spectrosc. 2004, 58, 324A-338A. doi:10.1366/0003702042475420
5. Hartstein, A.; Kirtley, J. R.; Tsang, J. C. Phys. Rev. Lett. 1980, 45, 201. doi:10.1103/PhysRevLett.45.201
6. Lamy de la Chapelle, M.; Pucci, A., Eds. Nanoantenna-Plasmon Enhanced Spectroscopies for Biotechnological Applications; Pan Stanford Publishing: Singapore, 2013. doi:10.1201/b14594
7. Kneipp, K.; Wang, Y.; Kneipp, H.; Perelman, L. T.; Itzkan, I.; Dasari, R. R.; Feld, M. S. Phys. Rev. Lett. 1997, 78, 1667-1670. doi:10.1103/PhysRevLett.78.1667
8. Haes, A. J.; Zou, S.; Schatz, G. C.; Van Duyne, R. P. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 109-116. doi:10.1021/jp0361327
9. Li, C.; Shuford, K. L.; Chen, M.; Lee, E. J.; Cho, S. O. ACS Nano 2008, 2, 1760-1769. doi:10.1021/nn800264q
10. Willets, K. A.; Van Duyne, R. P. Annu. Rev. Phys. Chem. 2007, 58, 267-297. doi:10.1146/annurev.physchem.58.032806.104607
11. Schwartzberg, A. M.; Zhang, J. Z. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 10323-10337. doi:10.1021/jp801770w
12. Duan, J.; Park, K.; MacCuspie, R. I.; Vaia, R. A.; Pachter, R. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 15524-15532. doi:10.1021/jp902448f
13. Mayer, K. M.; Hafner, J. H. Chem. Rev. 2011, 111, 3828-3857. doi:10.1021/cr100313v
14. Kottmann, J. P.; Martin, O. J. F. Opt. Express 2001, 8, 655-663. doi:10.1364/OE.8.000655
15. Sajanlal, P. R.; Sreeprasad, T. S.; Samal, A. K.; Pradeep, T. Nano Rev. 2011, 2, 5883-5975. doi:10.3402/nano.v2i0.5883
16. Coello, V.; Bozhevolnyi, S. I. Opt. Commun. 2009, 282, 3032-3036. doi:10.1016/j.optcom.2009.04.012
17. Kneipp, K.; Kneipp, H.; Bohr, H. Single-molecule SERS spectroscopy. In Surface-enhanced Raman Scattering: Physics and Applications; Kneipp, K.; Moskovits, M.; Kneipp, H., Eds.; Springer-Verlag: Berlin, Germany, 2006; pp 261-277. doi:10.1007/3-540-33567-6_13
18. Kneipp, J.; Kneipp, H.; Kneipp, K. Chem. Soc. Rev. 2008, 37, 1052-1060. doi:10.1039/b708459p
19. Stiles, P. L.; Dieringer, J. A.; Shah, N. C.; Van Duyne, R. P. Annu. Rev. Anal. Chem. 2008, 1, 601-626. doi:10.1146/annurev.anchem.1.031207.112814
20. Sharma, B.; Frontiera, R. R.; Henry, A.-I.; Ringe, E.; Van Duyne, R. P. Mater. Today 2012, 15, 16-25. doi:10.1016/S1369-7021(12)70017-2
21. Shen, Y. R. Principles of Nonlinear Optics; Wiley: New York, 1984.
22. Shen, Y. R. Nature 1989, 337, 519-525. doi:10.1038/337519a0
23. Shen, Y. R. Pure Appl. Chem. 2001, 73, 1589-1598. doi:10.1351/pac200173101589
24. Tolles, W. M.; Nibler, J. W.; McDonald, J. R.; Harvey, A. B. Appl. Spectrosc. 1977, 31, 253-271. doi:10.1366/000370277774463625
25. Begley, R. F.; Harvey, A. B.; Byer, R. L. Appl. Phys. Lett. 1974, 25, 387-390. doi:10.1063/1.1655519
26. Cheng, J.; Xie, S. X. Coherent Raman Scattering Microscopy, CRC Press: Boca Raton, FL, 2013.
27. Chung, C.-Y.; Boik, J.; Potma, E. O. Annu. Rev. Phys. Chem. 2013, 64, 77-99. doi:10.1146/annurev-physchem-040412-110103
28. Day, J. P. R.; Domke, K. F.; Rago, G.; Kano, H.; Hamaguchi, H.-o.; Vartiainen, E. M.; Bonn, M. J. Phys. Chem. B 2011, 115, 7713-7725. doi:10.1021/jp200606e
29. Dick, B. Chem. Phys. 1987, 113, 131-147. doi:10.1016/0301-0104(87)80226-4
30. Boyd, R. W. Nonlinear Optics, 2nd ed.; Academic Press: UK, 2003.
31. Lin, S. H.; Hayashi, M.; Islampour, R.; Yu, J.; Yang, D. Y.; Wu, G. Y. C. Physica B 1996, 222, 191-208. doi:10.1016/0921-4526(96)00008-7
32. Wang, Y.; Lin, C.-Y.; Nikolaenko, A.; Raghunathan, V.; Potma, E. O. Adv. Opt. Photonics 2011, 3, 1-52. doi:10.1364/AOP.3.000001
33. Zumbusch, A.; Holtom, G. R.; Xie, X. S. Phys. Rev. Lett. 1999, 82, 4142-4145. doi:10.1103/PhysRevLett.82.4142
34. Cheng, J.-X.; Jia, Y. K.; Zheng, G.; Xie, X. S. Biophys. J. 2002, 83, 502-509. doi:10.1016/S0006-3495(02)75186-2
35. Geiger, F. M. Annu. Rev. Phys. Chem. 2009, 60, 61-83. doi:10.1146/annurev.physchem.59.032607.093651
36. Guyot-Sionnest, P.; Hunt, J. H.; She, Y. R. Phys. Rev. Lett. 1987, 59, 1597-1600. doi:10.1103/PhysRevLett.59.1597
37. Epple, M.; Bittner, A. M.; Kuhnke, K.; Kern, K.; Zheng, W.-Q.; Tadjedinne, A. Langmuir 2002, 18, 773-784. doi:10.1021/la0109819
38. Roke, S. ChemPhysChem 2009, 10, 1380-1388. doi:10.1002/cphc.200900138
39. Noguchi, H.; Ito, M.; Uosaki, K. Chem. Lett. 2005, 34, 950-951. doi:10.1246/cl.2005.950
40. Bordenyuk, A. N.; Weeraman, C.; Yatawara, A. K.; Jayathilake, H. D.; Stiopkin, I. V.; Liu, Y.; Benderskii, A. V. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 8925-8933. doi:10.1021/jp069062n
41. Wang, H.-F.; Gan, W.; Lu, R.; Rao, Y.; Wu, B.-H. Int. Rev. Phys. Chem. 2005, 24, 191-256. doi:10.1080/01442350500225894
42. Rao, Y.; Comstock, M.; Eisenthal, K. B. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 1727-1732. doi:10.1021/jp055340r
43. Gan, W.; Wu, B.; Zhang, Z.; Guo, Y.; Wang, H.-f. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 8716-8725. doi:10.1021/jp067062h
44. Bourguignon, B.; Zheng, W.; Carrez, S.; Ouvrard, A.; Fournier, F.; Dubost, H. Phys. Rev. B 2009, 79, 125433. doi:10.1103/PhysRevB.79.125433
45. Lis, D.; Peremans, A.; Sartenaer, Y.; Caudano, Y.; Mani, A. A.; Dreesen, L.; Thiry, P. A.; Guthmuller, J.; Champagne, B.; Cecchet, F. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 9857-9864. doi:10.1021/jp900217d
46. Cecchet, F.; Lis, D.; Guthmuller, J.; Champagne, B.; Fonder, G.; Mekhalif, Z.; Caudano, Y.; Mani, A. A.; Thiry, P. A.; Peremans, A. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 4106-4113. doi:10.1021/jp911836k
47. Cecchet, F.; Lis, D.; Guthmuller, J.; Champagne, B.; Caudano, Y.; Silien, C.; Mani, A. A.; Thiry, P. A.; Peremans, A. ChemPhysChem 2010, 11, 607-615. doi:10.1002/cphc.200900733
48. Huff, T. B.; Shi, Y.; Fu, Y.; Wang, H.; Cheng, J.-X. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2008, 14, 4-9. doi:10.1109/JSTQE.2007.913419
49. Henry, F. P.; Côté, D.; Randolph, M. A.; Rust, E. A.; Redmond, R. W.; Kochevar, I. E.; Lin, C. P.; Winograd, J. M. Plast. Reconstr. Surg. 2009, 123, 123S-130S. doi:10.1097/PRS.0b013e318191c5b8
50. Chew, H.; Wang, D.-S.; Kerker, M. J. Opt. Soc. Am. B 1984, 1, 56-66. doi:10.1364/JOSAB.1.000056
51. Pelton, M.; Bryant, G. Introduction to Metal-Nanoparticle Plasmonics; John Wiley & Sons and Science Wise Publishing: Hoboken, NJ, 2013.
52. Sarid, D.; Challener, W. Modern Introduction to Surface Plasmons -Theory, Mathematica Modeling, and Applications; Cambridge University Press: Cambridge, UK, 2010. doi:10.1017/CBO9781139194846
53. Pitarke, J. M.; Silkin, V. M.; Chulkov, E. V.; Echenique, P. M. Rep. Prog. Phys. 2007, 70, 1-87. doi:10.1088/0034-4885/70/1/R01
54. Zijlstra, P.; Paulo, P. M. R.; Orrit, M. Nat. Nanotechnol. 2012, 7, 379-382. doi:10.1038/nnano.2012.51
55. Shopova, S. I.; Rajmangal, R.; Holler, S.; Arnold, S. Appl. Phys. Lett. 2011, 98, 243104. doi:10.1063/1.3599584
56. Sönnichsen, C.; Reinhard, B. M.; Liphardt, J.; Alivisatos, A. P. Nat. Biotechnol. 2005, 23, 741-745. doi:10.1038/nbt1100
57. Sannomiya, T.; Hafner, C.; Voros, J. Nano Lett. 2008, 8, 3450-3455. doi:10.1021/nl802317d
58. Chen, S.; Svedendahl, M.; Van Duyne, R. P.; Käll, M. Nano Lett. 2011, 11, 1826-1830. doi:10.1021/nl2006092
59. Kim, H.; Xiang, C.; Güell, A. G.; Penner, R. M.; Potma, E. O. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 12721-12727. doi:10.1021/jp8032758
60. Danckwerts, M.; Novotny, L. Phys. Rev. Lett. 2007, 98, 026104. doi:10.1103/PhysRevLett.98.026104
61. Simkhovich, B.; Bartal, G. Phys. Rev. Lett. 2014, 112, 056802. doi:10.1103/PhysRevLett.112.056802
62. Hatta, A.; Suzuki, Y.; Suëtaka, W. Appl. Phys. A 1984, 35, 135-140. doi:10.1007/BF00616965
63. Nakao, Y.; Yamada, H. Surf. Sci. 1986, 176, 578-592. doi:10.1016/0039-6028(86)90056-7
64. Kamata, T.; Kato, A.; Umemura, J.; Takenaka, T. Langmuir 1987, 3, 1150-1154. doi:10.1021/la00078a049
65. Badilescu, S.; Ashrit, P. V.; Truong, V.-V. Appl. Phys. Lett. 1988, 52, 1551-1553. doi:10.1063/1.99078
66. Chen, Z.; Zhang, Z. J. Appl. Phys. 1991, 69, 7406-7410. doi:10.1063/1.348928
67. Alieva, E. V.; Petrov, Y. E.; Yakovlev, V. A.; Eliel, E. R.; van der Ham, E. W. M.; Vrehen, Q. H. F.; van der Meer, A. F. G.; Sychugov, V. A. JETP Lett. 1997, 66, 609-613. doi:10.1134/1.567569
68. Alieva, E. V.; Knippels, G. M. H.; Kuzik, L. A.; Mattei, G.; van der Meer, A. F. G.; Yakovlev, V. A. Phys. Status Solidi A 1999, 175, 109-114. doi:10.1002/(SICI)1521-396X(199909)175:1<109::AID-PSSA109>3.0.CO;2-Q
69. Mattei, G.; Valentini, V.; Yakovlev, V. A.; Mani, A. A.; Sartenaer, Y.; Thiry, P. A.; Peremans, A.; Caudano, Y.; Dreesen, L.; Humbert, C.; Busson, B.; Vidal, F.; Tadjeddine, A. Phys. Status Solidi A 2005, 202, 1487-1491. doi:10.1002/pssa.200461155
70. Pluchery, O.; Humbert, C.; Valamanesh, M.; Lacaze, E.; Busson, B. Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, 11, 7729-7737. doi:10.1039/b902142f
71. Humbert, C.; Pluchery, O.; Lacaze, E.; Tadjeddine, A.; Busson, B. Gold Bull. 2013, 46, 299-309. doi:10.1007/s13404-013-0126-5
72. Humbert, C.; Pluchery, O.; Lacaze, E.; Tadjeddine, A.; Busson, B. Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 280-289. doi:10.1039/c1cp21091b
73. Li, Q.; Kuo, C. W.; Zheng, Y.; Chen, P.; Chou, K. C. Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, 11, 3436-3442. doi:10.1039/b821045d
74. Tourillon, G.; Dreesen, L.; Volcke, C.; Sartenaer, Y.; Thiry, P. A.; Peremans, A. Nanotechnology 2007, 18, 415301. doi:10.1088/0957-4484/18/41/415301
75. Tourillon, G.; Dreesen, L.; Volcke, C.; Sartenaer, Y.; Thiry, P. A.; Peremans, A. J. Mater. Sci. 2009, 44, 6805-6810. doi:10.1007/s10853-009-3572-y
76. Baldelli, S.; Eppler, A. S.; Anderson, E.; Shen, Y.-R.; Somorjai, G. A. J. Chem. Phys. 2000, 113, 5432-5438. doi:10.1063/1.1290024
77. Lis, D.; Caudano, Y.; Henry, M.; Demoustier-Champagne, S.; Ferain, E.; Cecchet, F. Adv. Opt. Mater. 2013, 1, 244-255. doi:10.1002/adom.201200034
78. Chen, C. K.; de Castro, A. R. B.; Shen, Y. R.; DeMartini, F. Phys. Rev. Lett. 1979, 43, 946-949. doi:10.1103/PhysRevLett.43.946
79. Liang, E. J.; Weippert, A.; Funk, J.-M.; Materny, A.; Kiefer, W. Chem. Phys. Lett. 1994, 227, 115-120. doi:10.1016/0009-2614(94)00779-9
80. Cheng, J.-X.; Book, L. D.; Xie, X. S. Opt. Lett. 2001, 26, 1341-1343. doi:10.1364/OL.26.001341
81. Koo, T.-W.; Chan, S.; Berlin, A. A. Opt. Lett. 2005, 30, 1024-1026. doi:10.1364/OL.30.001024
82. Schlücker, S.; Salehi, M.; Bergner, G.; Schütz, M.; Ströbel, P.; Marx, M.; Petersen, I.; Dietzek, B.; Popp, J. Anal. Chem. 2011, 83, 7081-7085. doi:10.1021/ac201284d
83. Namboodiri, V.; Namboodiri, M.; Cava Diaz, G. I.; Oppermann, M.; Flachenecker, G.; Materny, A. Vib. Spectrosc. 2011, 56, 9-12. doi:10.1016/j.vibspec.2010.08.005
84. Yampolsky, S.; Fishman, D. A.; Dey, S.; Hulkko, E.; Banik, M.; Potma, E. P.; Apkarian, V. A. Nat. Photonics 2014, 8, 650-656. doi:10.1038/nphoton.2014.143
85. Ichimura, T.; Hayazawa, N.; Hashimoto, M.; Inouye, Y.; Kawata, S. J. Raman Spectrosc. 2003, 34, 651-654. doi:10.1002/jrs.1047
86. Hayazawa, N.; Ichimura, T.; Hashimoto, M.; Inouye, Y.; Kawata, S. J. Appl. Phys. 2004, 95, 2676-2681. doi:10.1063/1.1642735
87. Liu, X.; Wang, Y.; Potma, E. O. Opt. Lett. 2011, 36, 2348-2350. doi:10.1364/OL.36.002348
88. Wang, Y.; Liu, X.; Halpern, A. R.; Cho, K.; Corn, R. M.; Potma, E. O. Appl. Opt. 2012, 51, 3305-3312. doi:10.1364/AO.51.003305
89. Steuwe, C.; Kaminski, C. F.; Baumberg, J. J.; Mahajan, S. Nano Lett. 2011, 11, 5339-5343. doi:10.1021/nl202875w
90. Voronine, D. V.; Sinyukov, A. M.; Hua, X.; Wang, K.; Jha, P. K.; Munusamy, E.; Wheeler, S. E.; Welch, G.; Sokolov, A. V.; Scully, M. O. Sci. Rep. 2012, 2, 891. doi:10.1038/srep00891
91. Zhang, Y.; Zhen, Y.-R.; Neumann, O.; Day, J. K.; Nordlander, P.; Halas, N. J. Nat. Commun. 2014, 5, 4424. doi:10.1038/ncomms5424