异质表面等离子体纳米结构的操控耦合研究

Currently, the extensive and intensive research on surface plasmon resonance properties of homodimer nanostructures has been done. It is found in our and other researchers’ theoretical and experimental studies that heterodimer (composition, shape and size) nanostructures display new plasmonic coupling modes and unique spectral features that are not observed with homodimers, but the related studies are not deep and systematical. In this project, two or multiple heterogeneous nanoparticles are coupled manipulated by template-assisted probes of an optical atomic force microscopy. Far-field optical properties of these heterogeneous dimers or multimers are characterized by a polarized dark-field microscopy. The effect of nanoparticle shapes, sizes, space distributions and gap sizes between nanoparticles on the surface plasmon resonant properties of the hybrid heterogeneous nanostructures are studied systematically. New spectral features and laws in far-field scattering spectra of the hybrid nanostructures are found, and the physical origin behind them is discussed. The physical images of surface charge density and near-field intensity distributions of the heterogeneous nanostructures are presented according to theoretical simulations. This research has an important significance to develop and perfect surface plasmon hybridization theory and design novel and multifunctional surface plasmonic hybrid nanostructures, and promotes the applications of the hybrid nanostructures in surface plasmon resonance enhanced spectroscopies, biosensing and super-sensitive detection.

当前对同质纳米二聚体结构的表面等离子共振性质已经进行了广泛而深入的研究，而最近我们及其他研究者的理论和实验研究发现异质纳米二聚体结构具有新的等离子体耦合模式及在同质纳米二聚体结构中从未观察到过的独特的光谱新特征，但相关研究缺乏深入和系统性。本项目将利用光学原子力显微镜探针并辅以模板定位来操控两个或多个异质纳米颗粒进行耦合，用偏振暗场光学显微镜表征二聚体或多聚体的远场光学性质，系统研究纳米颗粒的形状、尺寸、空间布局和颗粒间距对异质复合纳米结构表面等离子体共振性质的影响，发现远场散射光谱产生的新现象和新规律，探讨其物理根源，揭示异质纳米颗粒等离子体模式耦合杂化机制，并结合理论模拟建立其表面电荷密度和近场场强分布的物理图像。该研究将对发展和完善表面等离子体模式杂化理论、设计新颖多功能等离子体纳米复合结构具有重要意义，并推动其在表面等离子体共振增强光谱、生物传感和超灵敏探测等领域获得重要应用。

异质纳米颗粒基于表面等离激元共振的操控耦合在设计和优化等离激元金属纳米结构及其在表面增强光谱、生物传感、超灵敏探测、量子光学等领域的应用具有重要的研究意义和价值。本项目研究了异质金-银纳米棒和硅纳米球-金纳米片之间的表面等离激元耦合特性，发现通过明暗等离激元模式之间的干涉相消耦合可以在散射光谱上观察到明显的Fano共振。不同之处在于，异质金-银纳米棒是银纳米棒的电偶极明模式和金纳米棒的电四极暗模式发生相消干涉，而硅纳米球-金纳米片则是硅纳米球的磁偶极模式与金纳米片面外的电四极模式发生相消干涉，并且产生的是一种磁基Fano共振。结合电场、磁场和表面电流的理论模拟图像以及理论分析讨论了Fano共振产生的物理机制。异质金-银纳米棒的Fano共振对周围环境变化具有较高的灵敏度，其品质因数大于8.5，而异质硅纳米球-金纳米片的磁基Fano共振则具有依赖于二者之间间隔距离的亚纳米传感特性，这使得它们有望应用于超灵敏生物传感和单分子探测。通过原子力显微镜探针的纳米操控技术以及单颗粒光谱技术研究了异质单个金纳米棒与单个稀土掺杂纳米颗粒的操控耦合，通过金纳米棒各向异性的表面等离激元增强近场实现了稀土掺杂纳米颗粒上转换发光100倍以上的增强，同时使原本几乎不具有偏振发光特性的稀土掺杂纳米晶实现了85%的上转换发光线偏振度；接着利用长方形金纳米槽阵列结构选择性地调控稀土掺杂纳米晶的红色上转换发光带，实现了约80%的上转换发光线偏振度。设计了基于介电硅的U型、π型以及具有正交双明模式的超材料，实现了窄带的电磁引导透明（EIT），其具有高的品质因子和折射率敏感度，并且仅通过改变光的偏振可以实现对EIT的开关。该介电硅超材料能对光产生明显的延迟，可望应用于光学传感、非线性光学和慢光器件等。此外，还利用银纳米球与亚单层卟啉分子耦合，通过调控二者之间纳米尺度的间隔实现对亚单层分子荧光的增强。