单一金属纳米二聚体结构与单一光发射体基于局域表面等离子体增强效应的耦合研究

单一光发射体与单一等离子体金属纳米结构的耦合在光量子学、超灵敏光谱和生物探测等领域具有重要的科学研究和潜在实用价值，近年来已成为国际上非常热门的前沿研究热点之一。目前的研究较多集中于简单形状的等离子体金属纳米粒子与光发射体的耦合，而有关限域在金属纳米二聚体结构纳米间隙内强局域表面等离子体场与光发射体的耦合研究则鲜有报道。本项目将基于单一金属纳米二聚体结构的局域表面等离子体对单一光发射体（单染料分子，单量子点和单一稀土掺杂纳米晶）荧光的增强效应，详细系统地研究金属纳米二聚体结构参数及其与光发射体之间的距离以及激光能量和偏振特性对光发射体的荧光强度和动力学过程的影响，结合时域差分有限方法的理论模拟探讨局域表面等离子体增强荧光的机理，探究其物理规律和控制条件，建立相应的物理模型。这种单一金属纳米二聚体结构与单一光发射体的耦合体系将有望在单分子超灵敏光谱探测和新型单光子源等领域获得重要应用。

单一金属纳米结构局域表面等离子体光学特性及其与单一光发射体的耦合研究对于设计和优化金属纳米结构集合体及其在量子光学、超灵敏光谱和探测等领域的应用具有重要的研究意义。本项目利用扫描共聚焦显微镜开展了单一纳米厚度的金片局域表面等离子体共振增强单量子点荧光特性的研究，探讨了量子点与纳米厚度的金片之间的间隙距离对量子点荧光性质的影响。通过精确控制量子点和纳米厚度的金片之间的薄膜厚度，观察到量子点荧光强度和寿命随薄膜厚度而发生显著变化。当薄膜厚度约为13nm时，量子点光致发光强度可以获得约16倍的增强，而寿命最短。基于增强偶极子发射模型的理论模拟揭示了与薄膜厚度相关的量子点光致发光动力学特性，与实验结果能够很好地符合。此外，我们还合成了发光的银纳米线，研究了单一银纳米线光致发光的激发和发射偏振特性，观察到了随激发功率增加而产生的光子雪崩发光现象。我们还首次理论上发现单一金纳米环与单个硅纳米球耦合能够产生磁基的Fano共振，其特性可通过改变单体的尺寸以及二者的间距来调节。受益于本项目的部分资助，我们集合光学原子力显微镜、扫描共聚焦显微镜以及暗场显微镜三者联用的实验装置已逐渐完善，本项目的其他实验工作也即将完成。