表面等离激元对稀土发光中心的选择性光谱增强效应及增强机理研究

Plasmonics is a newly developed interdisciplinary research field with rapid growing in recent years, which has significant scientific importance and application potential. Surface enhanced spectroscopy(SES) is one of its core contents, which includes surface enhanced Raman scattering(SERS), surface enhanced fluorescence(SEF), and surface enhanced infrared absorption(SEIRA). The objective of the current project is to investigate the high resolution surface enhanced spectroscopy of rare earth doped micro-nano fluorescent system by applying the theory and method of laser spectroscopy, plasmonics and SES. Under selective resonant excitation, resonant coupling, polarization, and electric or magnetic dipole or multipole transitions, the nature of the physical interaction, the general law of it and the enhancement mechanism will be revealed via experimental observation of the fluorescence enhancement effect. It is expected that a new surface enhancement field of high resolution spectroscopy will be established for rare earth doped micro-nano system, and some original results could be achieved. Meanwhile, the understanding on the enhancement mechanism of the spectroscopy will be deepened by fulfilling the project, and a solid support to the development of basic theory and the application of SES and plasmonics will be provided.

表面等离激元光子学是近年来快速发展的一个新学科，极具学科交叉特色，是具有重要学术意义和应用价值的研究领域。而表面增强光谱学是其核心内容之一，主要包括表面增强拉曼散射、荧光发射、红外吸等。本项目旨在应用发光动力学和高分辨激光光谱学的理论与方法，结合表面等离激元光子学和表面增强光谱学的最新研究成果，研究稀土掺杂微纳荧光体系的高分辨表面增强光谱效应。通过对选择性共振激发、共振耦合、偏振、电（磁）多极跃迁等引起之荧光增强效应的观测和研究，揭示增强过程中各种作用的本质、机理和规律。本项目的实施将有望开拓稀土掺杂微纳发光体系高分辨荧光光谱表面增强效应研究的新领域，同时深化对表面增强光谱机理的理解，为推动其基础和应用研究提供重要支撑。

针对项目既定的研究计划，分别从实验观测研究和理论模拟计算两个方面开展了系统深入的研究工作。在稀土掺杂发光材料的荧光调控及表面增强光谱研究方面，通过构建能够同时满足表面增强条件和高分辨光谱观测需要的稀土掺杂发光材料的选择性表面增强荧光效应研究新体系，研究了稀土发光材料的制备、光谱性质及特殊构型掺杂微纳颗粒的发光特性与机理，获得了具有特别构型和分布的空间定向荧光发射以及高的荧光增强效率，揭示了选择性表面增强荧光效应的基本规律，开拓了稀土掺杂发光体系及其表面增强高分辨荧光光谱研究领域。在表面增强效应的物理作用过程和增强机制研究方面，构建了由稀土掺杂微纳晶体、金属纳米结构以及有机分子构成的表面增强和能量传递体系，通过表面局域等离激元共振(LSPR)和表面等离极化激元(SPP)的形成，有效调控稀土掺杂微纳发光体系的表面增强和能量传递效应，实现了LSPR对稀土发光中心荧光激发与发射的有效增强和性质调控、等SPP对于稀土发光的直接激发、稀土掺杂纳米晶体的原位快速可控生长等。同时对离激元调控表面增强和能量传递体系、增强衬底的局域表面等离激元共振（LSPR）与发光中心的激发及发射弛豫和能量传递等效应进行了理论分析模拟计算研究，建立了局域场与发光中心之间的能量传递和电磁耦合等作用模型，实现了其对于激发态动力学过程的全面深刻认识以及建立增强模型所需多种理论的有机结合和应用创新。通过项目的实施，在稀土发光材料激发条件、发光特性及增强荧光效应，金属纳米结构介电属性及构型变化等对表面增强荧光效应的影响规律，金属微纳结构的电磁响应及其表面电场分布，表面等离激元催化及其增强荧光效应，以及基于稀土发光材料及金属微纳结构表面增强荧光效应的应用探索等方面取得了具有重要科学意义和应用发展价值的研究成果。