物理所在微納結(jié)構(gòu)光學(xué)特性調(diào)控研究中取得系列進(jìn)展

　　微納光學(xué)結(jié)構(gòu)依靠局域共振、電磁場增強(qiáng)、慢光效應(yīng)等機(jī)制，可有效地調(diào)控光與物質(zhì)（原子、分子、量子點(diǎn)、非線性材料等）的相互作用特性，其理念已廣泛應(yīng)用于光子集成、靈敏信號探測和識別、生化傳感、超分辨顯微成像、高效太陽能電池及發(fā)光器件、疾病診斷及治療、環(huán)境監(jiān)測等重要領(lǐng)域。相關(guān)研究的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是針對特定應(yīng)用，設(shè)計(jì)和制備出性能優(yōu)化的微納光學(xué)結(jié)構(gòu)。中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）光物理實(shí)驗(yàn)室研究員李志遠(yuǎn)領(lǐng)導(dǎo)的L01課題組，最近在相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)研究中取得系列進(jìn)展。

　　光子晶體共振微腔具有品質(zhì)因子高、模場體積小的優(yōu)點(diǎn)，以至于共振微腔中單個(gè)光子就能夠?qū)崿F(xiàn)和半導(dǎo)體量子點(diǎn)的強(qiáng)耦合相互作用，和其他光電材料相互作用也將產(chǎn)生豐富多彩的物理性質(zhì)。最近，李志遠(yuǎn)和團(tuán)隊(duì)的博士生史哲、青年職工甘霖等一起，制備了硅光子晶體微腔-石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)，從實(shí)驗(yàn)上深入細(xì)致地研究了光泵浦下單層石墨烯載流子產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移對光子晶體微腔的共振波長和品質(zhì)因子的調(diào)制作用等光電響應(yīng)特性(圖1)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該復(fù)合微納結(jié)構(gòu)有著復(fù)雜而豐富的光電物理過程，使得共振波長的移動及品質(zhì)因子的變化隨泵浦光功率的增加產(chǎn)生復(fù)雜的行為(圖2)。該工作為深入探索微納光電子結(jié)構(gòu)和器件的光電子動態(tài)響應(yīng)物理，進(jìn)而研制超快、高靈敏度的有源光電子發(fā)光、激光、開關(guān)及調(diào)制等功能器件提供了有益的思路和啟發(fā)。成果發(fā)表在ACS Photonics 2, 1513 (2015)上。

　　貴金屬（金、銀等）納米顆粒在可見乃至近紅外波段存在著強(qiáng)烈的局域表面等離子體共振，可大大增強(qiáng)熒光、拉曼、非線性輻射等光與物質(zhì)相互作用過程。銀納米棒是一種經(jīng)常使用的納米顆粒，由于在其兩個(gè)方向上具有不同的幾何尺寸，其局域表面等離子體共振有橫向、縱向兩個(gè)模式。銀納米棒一般采用種子法生長，利用的種子一般為金、銀十面體或金納米棒等單晶小顆粒。由于利用這些方法生長的銀納米顆粒受限橫截面半徑大及生長種子對其光學(xué)性質(zhì)的影響，導(dǎo)致這些方法生長的銀納米棒一般在可見波段有共振吸收。李志遠(yuǎn)及博士生張超與佐治亞理工大學(xué)的Younan Xia團(tuán)隊(duì)合作，采用一種新的生長方法，利用鈀十面體單晶小顆粒作為種子，沿著五重對稱軸沉積銀原子生長形成銀納米棒(圖3)。這樣生長的銀納米棒具有小的橫截面半徑（低于20 nm）、可控長寬比等特點(diǎn)。其橫向局域表面等離子共振模式在400 nm以下，縱向模式可以在可見近紅外波段進(jìn)行調(diào)控。這種在可見光譜中（400 ~ 800 nm）沒有局域表面等離子共振的銀納米棒顆粒在觸摸屏顯示器、太陽能電池片、節(jié)能智能窗的制作等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。研究成果發(fā)表在ACS Nano 9, 10523 (2015)上。

　　近紅外波段的光學(xué)技術(shù)對于生物分子、活細(xì)胞組織等具有非侵入性的優(yōu)點(diǎn)，在蛋白質(zhì)學(xué)和基因?qū)W中有著廣泛使用。李志遠(yuǎn)、張超與Younan Xia團(tuán)隊(duì)及意大利薩蘭托大學(xué)Dario Pisignano團(tuán)隊(duì)合作，設(shè)計(jì)并制備了一種基于金納米籠顆粒的襯底，可以對近紅外波段的熒光進(jìn)行增強(qiáng)。由于金納米顆粒對熒光增強(qiáng)的幅度與熒光分子-納米顆粒縱向間距和橫向位置等幾何參數(shù)有很重要的作用，合作團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種方法來控制熒光分子與金納米籠顆粒的間距(圖4)，從而使襯底平面范圍內(nèi)熒光分子獲得均勻的熒光增強(qiáng)幅度。當(dāng)間距控制在80 nm時(shí)，在660~740 nm波段可獲得大概2~7倍的熒光增強(qiáng)。這項(xiàng)技術(shù)可以達(dá)到平面內(nèi)納米級控制，在軟物質(zhì)細(xì)胞等信息探測和診斷領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。研究成果發(fā)表在ACS Nano 9, 10047 (2015)上。

　　以上研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部和中國科學(xué)院項(xiàng)目的支持。

　　圖1. 硅光子晶體共振微腔-石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)的光電響應(yīng)實(shí)驗(yàn)測量示意圖。

　　圖2. 硅光子晶體微腔的共振波長和品質(zhì)因子隨泵浦光功率增加的變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　　圖3. 銀納米棒的掃描透射電鏡圖和消光光譜測量圖。

　　圖4. 金納米籠顆粒襯底的制備及其應(yīng)用于LD700熒光分子熒光輻射增強(qiáng)。