金属/DAE染料复合纳米结构的超快光谱和动力学研究

Diarylethene (DAE) molecules have potential applications in optical switches and memories, due to their reversible photochromic reactions. As a current focus of research interest, metal nanostructures with enhanced near field on the interface via surface plasmon resonance (SPR), have been applied to improve the photochromic reaction rates and yields of DAE, in order to achieve optical devices with high speed and sensitivity. However, most work focuses on steady-state observations, lacking of transient spectroscopic and dynamic characterizations. Hence, the mechanism of the SPR-induced ring-opening reaction enhancement of DAE is still far from being understood. In this proposal, metal/DAE hybrid nanostructures will be fabricated and then studied by femtosecond transient absorption technology coupled with steady-state methods. The ultrafast photo-induced ring-opening reaction coordinate of DAE under SPR interaction will be analyzed and the corresponding enhancement mechanism by SPR will hopefully be clarified. Through this research, it is expected to gain deep insights into the ultrafast photochemical processes of metal/DAE hybrid nanostructures, and provide valuable guidance for constructing optical devices with high speed and sensitivity based on DAE molecules.

二芳基乙烯类分子（Diarylethene，简称"DAE"）由于其可逆的光致变色特性而在光开关和光信息存储等光学器件上有很强的应用前景。为实现高速高灵敏度的DAE光学器件，近期利用金属纳米结构表面等离子体共振(SPR)增强的近场光场，来提高这类分子光致开环反应的速率和产率是人们关注的热点。然而，目前的研究方法主要是稳态光谱表征，无法获知SPR调控其超快反应过程的细节，因而对SPR诱导增强DAE类分子光致开环反应的物理机制还很模糊。本项目将以金属/DAE染料复合纳米结构为研究对象，结合飞秒瞬态吸收光谱和稳态光谱表征等研究手段，研究SPR调控DAE类分子超快光致开环反应的路径，探讨SPR增强其光致开环反应的物理机制。该研究不仅可以加强对金属/DAE染料复合纳米结构的超快光谱和动力学过程的深入理解，还可以为构建以DAE类分子为基础的高速高灵敏度光学器件提供理论与实验基础。

该项目对金属/DAE染料复合纳米结构的超快光谱和动力学行为的研究概况如下，初期系统地研究了色烯类光致变色染料中的超快光开环和光闭环反应动力学过程，阐明了这类染料的整个光致开环和闭环反应路径。考虑到该项目的核心思想是利用表面等离子体共振增强的近场光场来提高或调制光与物质的相互作用，因此中期研究计划调整为对多种复合纳米结构中光与物质相互作用的研究，例如研究了金属/J型聚集染料复合纳米结构中表面等离子体与J型聚集染料分子之间的强耦合相互作用，观察到了经典的拉比劈裂现象，进一步调节金属纳米结构的周期和染料分子的浓度，实现了耦合强度和拉比劈裂能的连续可调；其次研究了硅酸盐/Si-SiO2复合微纳结构中周期性的沟道基底对硅酸盐微盘的荧光调制行为。除了上述借助外在的微纳结构来调控光与物质之间的相互作用外，新型二维原子晶体材料和低维金属卤化物钙钛矿材料或结构其本身就与光场存在较强的相互作用，因此多种因素促使后期研究计划开始了对这些新型低维材料或结构的光学特性及其超快光谱与动力学行为的研究，例如研究了二维过渡金属硫族化合物中的多体相互作用及其超快光谱与动力学过程、低维金属卤化物钙钛矿微纳结构中激子与电子-空穴等离子体的受激发射与动力学行为以及激子和光生载流子的行为特性等。在该项目的支持下，发表SCI 学术论文5篇，接收尚未上线SCI学术论文1篇，参与过本项目的博士研究生3 名，硕士研究生2名，达到了预期目标。