有机/金属微纳复合材料的可控构筑与表面等离激元放大研究

Surface plasmon polaritons (SPPs), the propagating collective electron oscillations along the metal surface, are the key to breaking the diffraction limit of conventional optics and transporting optical signals at subwavelength scale, which makes SPPs attractive for applications in the field of nanophotonics. However, the substantial attenuation of the electromagnetic wave due to the absorption (ohmic loss) in metal hindered the development of SPP devices. This obstacle has stimulated great interest in understanding the physics of SPP amplification as well as exploring the feasibility of achieving SPP loss compensation. Organic molecules are causing more and more attentions due to their excellent properties such as high optical gain coefficient, ultrafast response and low cost. In this project, we propose to investigate the mechanism of SPP amplification through studying the relationship between the optical property and the microscopic structural characteristics with emphasis on the morphology of hybrid structure, molecular packing in the bulk phase and molecular orientation at the organic/metal interface. The exploration of SPP amplification may provide enlightments for the preparation of subwavelength plasmonic devices towards future photonic integrated circuits.

表面等离激元（Surface Plasmon Polariton，SPP）是金属表面自由电子与电磁场耦合形成的集体谐振的特殊电磁波，它能突破介质材料在光学性质上的衍射极限，将光信号限域在亚波长尺度下传导，故在纳米光子学器件、集成光路等领域具有巨大的应用潜力。但金属的本征吸收使SPP具有极大的传导损耗，阻碍了SPP光子学器件的发展。解决该问题最重要的方法是在金属结构中引入增益介质来补偿金属对SPP的吸收损耗，实现SPP的放大。有机小分子材料具有光学增益系数高、响应速度快等诸多优势，为新型光子学材料和器件的发展带来新的契机。本项目提出从分子聚集体体相和有机/金属界面的角度，深入研究材料结构对SPP放大性能的调控，揭示增益介质对SPP的放大机制。通过设计和可控构筑有机/金属微纳复合材料，着重讨论分子聚集体和复合材料结构特征与SPP放大性质之间的关联，为进一步发展SPP微纳光子学器件奠定基础。

表面等离激元（Surface Plasmon Polariton，SPP）是金属表面自由电子与电磁场耦合形成的集体谐振的特殊电磁波，它能突破介质材料在光学性质上的衍射极限，将光信号限域在亚波长尺度下传导，故在纳米光子学器件、集成光路等领域具有巨大的应用潜力。但金属的本征吸收使SPP具有极大的传导损耗，阻碍了SPP光子学器件的发展。解决该问题最重要的方法是在金属结构中引入增益介质来补偿金属对SPP的吸收损耗，实现SPP的放大。有机小分子材料具有光学增益系数高、响应速度快等诸多优势，为新型光子学材料和器件的发展带来新的契机。本项目提出从分子聚集体体相和有机/金属界面的角度，深入研究材料结构对SPP放大性能的调控，揭示增益介质对SPP的放大机制。具体的：1）基于分子间卤键相互作用对于能级结构和微腔结构的同时调制，我们首次实现了有机共晶微型激光器。增强了我们对有机共晶的增益性能的理解，为SPP放大性能研究提供了一种潜在的增益介质。2）利用有机晶体的柔性以及四能级体系，开发了一种微滴辅助的自组装方法，构建了一系列以有机单晶环为核心的微纳结构，实现了多种具有耦合功能的微环激光器。3）利用有机聚合物良好的加工柔性和可掺杂特性，我们开发了一种毛细作用力辅助的自组装方法，成功将有机微盘与银纳米线复合成一种异质结构，实现了全色激光的SPP亚波长输出。通过改变SPP的传输距离，实现对亚波长SPP激光信号的有效调制。4）设计并制备了一种纳米线异质结，用来研究激子偶极子的取向对其激发SPP的影响。研究发现在这种复合体系中，当单晶体系中所有偶极子与银纳米线相互平行时，耦合效率最大。5）在研究清楚光泵浦SPP放大机理之后，我们进一步发展了一种液相法，直接在金属电极上生长钙钛矿晶体从而制备高性能的电子和光电器件。该研究结果有助于电泵浦SPP放大器件的制备，为光子学器件与电子学器件的混合集成打下基础。