基于超颖材料等离子体激元的可控发光研究

Plasmonics, due to its ability in localizing and manipulating electromagnetic fields in nanoscales, has shown its potential for processing information at unprecedented density. In this project, based on potentials of plasmonic metamaterials in achieving nano-integrating devices, we will utilize the strong interaction between plasmonic fields and luminescent materials to realize the control over the properties of light emission from metamaterial/luminescent material composites. Metamaterials will be fabricated using e-beam lithography or focused ion beam; their resonating behaviors and the physical mechanisms under external electromagnetic excitation will be studied through numerical simulations and spectral measurements; the mechanisms of interaction between plasmonic fields and luminescent materials will be revealed; we will realize the control of the emission efficiency by such interaction and analyze the mechanisms; adopting the polarization selective property of plasmonic resonance and its relationship with the density of photon states, the control of the polarization states of luminescence will be achieved. This project aims for achieving tuning light sources performance in nanoscales, which will pave the way for developing practical nano-light sources for wide applications in future nano integrated communication, display and storage systems.

本课题将立足于金属超颖材料在纳米集成方面所具有的优势，利用其中等离子体激元对于电磁场能量的纳米局域与操控能力，通过与发光材料的极强相互作用实现发光性质（强度或偏振等）的纳米尺度调控。本课题将利用电子束曝光或聚焦离子束刻蚀等技术手段制备超颖材料；通过光谱测量及数值计算等手段，分析超颖材料在电磁波激励下的共振特性及其物理机制,揭示等离子体激元场与发光材料相互作用机理；实现等离子体激元对于介质发光效率的调节并分析其物理机制；利用等离子体激元共振的偏振特性及其同光子态密度分布的对应关系实现发光偏振性质的调控。本课题的实施将为实现光源性能的纳米尺度调谐，研发实用型纳米光源，进而推进信息系统纳米集成化提供必要的理论及实验基础。

现代信息系统中，光源作为源头部件，负责信号载体的产生，在显示、通信、存储及检测等环节发挥着不可或缺的作用。多年以来人们已经研发出多种纳米发光材料，而要真正实现纳米光源并应用于未来信息系统中，首先必须能够按照一定的需要对于材料发光性质进行纳米分辨的直接控制与调节。本课题立足于金属超颖材料在纳米集成方面所具有的优势，利用其中等离子体激元对于电磁场能量的纳米局域与操控能力，通过与发光材料的耦合相互作用，实现在纳米尺度下对于发光强度、偏振等性质的调控。在青年科学基金的资助下，通过三年努力，我们在超颖材料中等离子体激元可控发光的物理机制、实验制备和共振调控方面进行了系统研究，取得了一系列创新性研究成果，在国内外重要期刊发表SCI论文8篇，其中包含Nano Letters、Light: Science & Applications 各1篇；基于项目研究成果申请发明专利11项，其中2项已经获得美国专利授权，并多次在学术会议上进行报道，引发了一定关注。主要的研究成果如下：.1 利用等离激元纳米天线超颖材料阵列同半导体量子点间的散射共振受迫耦合效应，实现了对于量子点的发光性能调控，实现了线偏振度达90%以上的偏振光直接发射。并且利用等离激元的场增强效应，该光源的发光效率与亮度明显高于玻璃基底上量子点的直接发光。同时实验中发现该光源的辐射特性（如发光波长、偏振度水平等），可以简单的通过改变光学天线的尺寸参数进行有效的调控与设计，这是超越传统光源特性上的一个巨大优势。该研究结果有望应用于未来高集成度、微小尺寸偏振光源及其相关器件的研发与制造中。.2我们分别在非线性、结构尺寸、应变、位移等方面，研究了实现等离激元微纳结构等离激元共振及光学效应动态调控的方法，从实验上探索了实现等离子体激元体系发光特性动态调控的可行性。特别是我们设计与加工了一种新型人工微纳共振复合材料，通过实现其中纳米非线性介质材料、微纳结构电磁场共振以及偏振效应三者的耦合共振新效应，实现在弱光条件下等离激元共振偏振特性的大幅度调控，在仅4mW绿光激发下可实现光波椭偏度与极角达17°与24°的非线性动态调控。另外我们还研究了超颖材料单元结构特性在其手性光谱特性展宽方面的作用，同时利用结构应变及位移实现了对于超颖材料等离激元共振光谱的调控。.本课题的研究成果，对于实现未来纳米集成信息处理系统的研发具有重要的科学意义与应用前景。