利用表面增强拉曼光谱技术的液晶分子取向表征与调控研究

With rapid development of the information age, there is ever-growing need for photonic devices that can process the information in a large capacity and high speed. By breaking the optical diffraction limit, plasmonic devices play an essential role in the wave of technological innovations in the future integration of optics and electronics. Liquid crystal materials can efficiently modulate the plasmon resonance based on their unique physical and optical properties, which enables photon manipulation and control at the nanoscale and hence provides opportunities for the development of smaller, faster and more efficient nanophotonic devices. Only with the ordered orientation of the liquid crystal molecules can the optimal modulation of the surface plasmon be achieved. How to control and characterize the alignment of liquid crystal molecules in non-planar and even in irregular surface plasmon nanostructures is a significant problem in current scientific research. This project intends to utilize the strong Raman signal enhancement of surface enhanced Raman spectroscopy to obtain the microscopic features of the liquid crystal molecular structure and alignment, and then characterize the liquid crystal molecular orientation. By means of the rational design of the surface plasmon nanostructure, the alignment of the liquid crystal molecules could be regulated, leading to the effective modulation of surface plasmon signals, which provides theoretical and methodological guidance for the integration and performance optimization of plasmonic devices.

当前，随着信息时代的深度发展，对具有传输信息容量大、处理速度快等优点的光子器件需求日益强烈。表面等离激元光子器件突破了传统光学的衍射极限，在未来光学器件与电子器件集成的技术革新浪潮中具有举足轻重的作用。利用液晶材料独特的物理及光学特性有效调制等离激元信号，可以实现纳米尺度上光子操纵和控制，为发展更小、更快和更高效的纳米光子学器件提供良机，吸引了人们广泛的关注。只有保证液晶分子有序取向才能实现表面等离激元信号的最佳调制。如何在非平面甚至在多数情况下不完全规整的表面等离激元结构上调控与表征液晶分子有序取向是当前科研领域的重大难题。本项目拟利用表面增强拉曼光谱技术强大的拉曼信号增强能力获取液晶分子结构及取向排列的微观特征，进而表征液晶分子取向；通过表面等离激元金属纳米结构设计，调控液晶分子取向排列，对表面等离激元信号进行有效调制，为表面等离激元光子学器件集成和性能优化提供新的理论和方法指导。

液晶分子在基体表面上的取向排列对平面显示器件、动态可调谐光学器件等液晶器件的物理、光电性能具有非常关键影响，因而对液晶分子取向调控与表征具有重要的研究意义。传统的偏光显微观察法容易受到偏振片定标精度、角度测量精度及光学稳定性的影响，不利于液晶排列取向变化的量化检测。常规拉曼散射信号强度较弱，制约了其对液晶排列取向变化的响应灵敏度及获取更加丰富的液晶分子振动、转动光谱信息。在本项目中，我们通过表面等离激元金属纳米结构设计，并结合利用表面增强拉曼光谱技术强大的拉曼散射信号增强能力，实现液晶分子取向调控和表征。一方面，通过电子束刻蚀技术制作金纳米棒阵列，并与聚酰亚胺定向层构筑液晶盒，调控液晶分子取向排列，获得了约2倍的拉曼信号增强效果。另一方面，我们利用激光全息方法制备了不同周期的银纳米光栅，其不仅作为表面增强拉曼活性基底，同时也可以作为液晶取向层，并对制作的银纳米光栅进行形貌观察和光谱表征。我们研究了液晶分子偏振拉曼光谱信号，并进一步采用电驱动方式引起液晶分子取向排列变化，获得了液晶分子的表面增强拉曼光谱峰值强度变化信息。相比于传统的液晶取向检测方法，本项目研究方法能够更加准确、灵敏且实时的表征液晶排列取向变化，为新型液晶光子学器件设计、集成和性能优化提供实验和理论指导。