贵金属纳米复合结构光学共振增强机理及应用研究

本项目主要研究以贵金属多层纳米颗粒为基元的复合结构的光学共振增强特性。研究贵金属多层纳米颗粒多颗粒系统和周期阵列的等离激元共振耦合特性，深入探讨颗粒结构、颗粒间距和分布及周期参数等因素对各极振动模式相互间耦合的影响，明确结构间的干涉衍射与共振耦合模式的相互作用机制，阐明其中的一般性物理内涵，初步建立系统的理论方法。研究贵金属多层纳米颗粒与碳纳米管复合结构的线性和非线性光学特性，阐明两种颗粒之间协同增强作用的基本物理内涵，建立有效的物理模型；合理定制特定的等离激元共振响应，以进一步促进碳纳米管光致发光性能的提升。在理论研究的基础上，预言、优化设计并制备具有更优异性能的贵金属纳米复合结构，进行相应的实验研究，探索其在纳米波导、表面增强光谱、非线性光学设计及光致发光等领域的应用，为贵金属纳米颗粒复合结构的进一步研究和应用提供依据。

金属纳米颗粒和结构由于具有优异的光学、电子和催化特性，一直是科学界关注的热点。贵金属多层纳米颗粒本身即具有优秀的、可调的光学性能，多颗粒间的共振耦合、结构间的干涉衍射、结构对称性破坏、等离激元-激子耦合等均可能导致诸多新颖、独特的光学特性。合理设计有效、新颖的贵金属纳米复合结构，实现更优异的物理性能，以满足不同的研究和应用需求，一直是该研究领域中的前沿问题。项目执行四年来，基本按照原有计划进行，取得的研究结果达到了项目计划书的预期要求。. 首先，我们研究了多种金属纳米多层复合颗粒的表面等离激元(SP)共振耦合特性，明确了各极次共振相互间的耦合机制。首次在单颗粒对称结构中通过异质金属层间的共振耦合获得明显的高极次Fano振动模式；将各向异性材料引入金属核壳结构中，研究发现内核各向异性性将导致在远场消光光谱中获得显著的Fano模式。其次，探讨了结构对称性破坏对金属复合纳米结构SP共振耦合的影响。在椭圆截面金纳米线的二聚物结构中，通过不对称性结构旋转实现了超辐射模式与亚辐射模式的耦合，在吸收光谱中发现了显著的Fano共振；在金纳米管二聚物结构中，单元结构对称性破坏导致的二聚物间SP弱耦合同样将形成Fano共振。我们还进一步设计出全新的贵金属纳米多层复合颗粒单元，并以此为基础构建了相关的周期阵列。例如，在以银核-低折射率介质-高折射率介质外壳的三层纳米颗粒为基元的周期阵列中实现可见光区的三维各向同性负折射；在CuCl外壳包裹银纳米线颗粒的周期阵列中实现了表面等离激元-激子诱导透明等。此外，我们还研究了多种含有活性增益媒质的贵金属纳米复合结构的辐射激励表面等离激元放大(SPASER)特性。提出了活性金属-介质-金属三层球壳的SPASER模型，通过增益介质层增益系数的变化，可以在不同频率下实现两次超共振；通过结构优化设计，在活性银-金-二氧化硅三层纳米壳结构中实现了双频SPASER模式的同时发射。在理论研究工作的基础上，制备了多种金纳米球壳颗粒及其周期阵列，制备了单壁碳纳米管与金纳米球壳的复合样品，进行了相关的光学实验研究，初步探索了碳纳米管与金纳米球壳间的光学响应协同增强。. 在项目研究期间，共在国际知名SCI源刊物上发表相关研究论文18篇，参加国际学术大会3次。本项目的研究结果将为贵金属纳米颗粒复合结构的进一步研究和应用提供依据。