人工等离激元阵列纳米结构的功能器件化应用基础研究

Plasmonic array nanostruture (PAN) not only provides a powerful platform for fundamental studying of physics, but also facilitates the fabrication of various novel functional devices. For example, bio-chemical sensor built by PAN can exhibit sensing ability of single molecular level, which enable various cancer diseases can be treated at very early stage. Also, since PAN possesses the capacity of enhancing photoelectric conversion efficiency and broadening spectral range of sunlight which can be absorbed, it is widely used in the design of solar devices which make important contributions in helping to solve the energy problem of human being.. Numerous achievements have been made due to the exploration of fabricating functional device with PAN, however, some unsolved problems still exist: 1) there not sufficient study on precisely manipulating plasmon mode of PAN, and the interaction rules between PAN and materials are not clear enough; 2) The fabrication methods of PAN always encounter disadvantages of expensive cost and small sample area; 3) there needs more investigations on how to integrate PAN with other parts of a device.. In order to overcome the aforementioned difficulties, we propose the project to carry on fundamental investigations on the device application of PAN for novel functional device, with the purpose of building mature plasmonic devices which can benefit the development of domestic economy and social life of every citizen.

等离激元纳米阵列材料不仅为人们研究基础物理问题提供了丰富平台，更重要的是对于它们的应用化研究使得很多新型功能器件应运而生。比如，等离激元阵列构建的生化传感器具有单分子级的灵敏度，从而为很多癌症能够得到早期的诊断和治疗提供可能。又比如，等离激元阵列结构具有提高光电转换效率、加宽太阳能光谱利用效率的能力，因此应用它们开发的太阳能器件，为人们高效利用太阳能解决能源问题作出了重要贡献。. 等离激元纳米阵列的器件化研究取得了很多成果，但目前该领域还存在一些亟待解决的问题：1）等离激元阵列场模精确调控以及其与物质相互作用规律研究不足；2）阵列制备工艺成本高，成品工作面积普遍较小；3）等离激元阵列结构与其他器件组成部分集成工艺还需要深入研究。. 针对以上问题，我们计划系统性研究等离激元阵列结构的器件化基础应用，从而使得它们能够更成熟地构建功能器件，服务于国家经济发展和人民社会生活。

等离激元纳米结构不仅为人们研究基础物理问题提供了丰富平台，更重要的是对于它们的应用化研究使得很多新型功能器件应运而生。虽然等离激元器件的研究取得了丰富的成果，但是还存在一些亟待研究的科学问题，比如：1）等离激元模式的精确调控及其与物质相互作用调控规律；2）等离激元结构的大规模、低成本制备工艺探索；3）具有新颖功能的等离激元功能器件探索。. 本项目围绕以上三个科学问题开展了攻关研究，实现的成果如下。首先，我们深入探索纳米阵列等离激元的模式精确调控规律，研究了等离激元局域光场与量子辐射子的强耦合相互作用规律，通过建立全量子理论分析得到强耦合实现判据。其次，我们建立了基于无序氧化铝模板的磁控溅射方法制备等离激元纳米线阵列的新方案。该方法能够大面积低成本的制备用于图像传感的柔性等离激元结构，为开发等离激元可穿戴设备提供了高效的样品制备方案。最后，我们利用微纳阵列结构对于光场相位和振幅的精确调控，不仅实现基于振幅、偏振、入射角度多维光场调控，同时还开发了基于超构表面的高密度图像信息加密器件原型，为微纳阵列的器件化应用提供了有效方案。