柔性转印金属光子晶体可调谐光物理学和传感特性研究

Based on the long-term research work and new progress by the applicant in the photophysics of metallic photonic crystals (MPCs), fabrication and flexibilization of nanophotonic structures, plasmonic sensors, this project intends to achieve multiple types of MPCs on flexible thin films, reveal new physics, and explore applications in sensors. In particular, probe sensors are to be developed by imprinting or transferring MPCs onto the end facet of optical fibers..Making use of solution-processible nanopatterning technique involving colloidal metallic nanoparticles and thermal processing, furthermore, introducing photo-reduction processes, we are going to achieve a variety of two- and three-dimensional MPCs. Among these MPCs, we will focus on the binary metallic photonic structures, where two different metals are involved in forms of heterojunctions and alloys. Then, MPCs are transferred to flexible thin-film substrates using the “buffer-layer etching” technique that was recently developed by the applicant. Deep insights into the related physics are to be revealed for tunable photophysical mechanisms. Physics in sensors for the detection of stress, deformation, and bioreactions will be extensively investigated..Soft MPCs will then be transferred and integrated onto the end facets of optical fibers, new physics in the resultant devices will be studied extensively. Sensing physics and devices will be exploited for the detection of acoustic vibration, refractive-index change, and specific bioreactions. “Probe sensors” will be developed to achieve “remote sensing”..Through this project, we intend to introduce new research topics and methods to flexible nanophotonics, micro- and nano-scale integrated optoelectronics, and their applications in sensors.

本项目依据申请人在金属光子晶体光物理学、纳米光子结构制备和柔性化、等离激元生物传感器等方面的工作基础和最新进展，提出在柔性薄膜衬底上实现多种金属光子晶体，揭示新的光物理学规律并应用于传感器技术，特别在光纤端面上实现金属光子晶体探针式传感器。.利用基于金属纳米颗粒胶体和热处理工艺构成的“溶液法”纳米图案化技术，引入金属离子光还原反应，制备多种二维和三维金属光子晶体，特别实现两种金属材料以异质结和合金方式参与的二元金属光子晶体。进一步利用申请人提出的缓冲层腐蚀法，实现金属光子晶体在柔性薄膜衬底上转印。在深入光物理学研究基础上，开展应力、形变和振动传感器物理学研究。.将金属光子晶体以不同方式转移、集成于光纤端面，揭示其中特殊光物理学功能，应用于声波振动、折射率、生物特异反应传感器，研制“探针式”器件并实现“遥测”传感。为柔性纳米光子学研究、微纳集成光电子学及其传感器应用注入新的研究内容和方法。

纳米光子学迅速发展并成为物理学、光电子学、生物学、材料学等多学科交叉的重点研究领域，其内在动因在于纳米光子结构中蕴含的传统光学难以实现的光物理学功能，以及由此产生的重要工程应用价值。新材料的开发和新型纳米结构及其制备技术的设计是实现并拓展纳米光子器件功能，努力使其向工程应用并轨的重要途径。利用纳米尺度薄膜结构或柔性器件替代传统复杂光学系统，并获得传统光学无法实现的功能或应用，是本项目重要研究动机和目标。.一、主要研究内容：.本项目在柔性或薄膜衬底上实现多种金属光子晶体，揭示新的光物理学规律并应用于传感器技术，特别在光纤端面上实现金属光子晶体的探针式传感器。.利用基于金属纳米颗粒胶体和热处理工艺构成的“溶液法”纳米图案化技术，制备了二维和三维金属光子晶体结构，实现两种金属材料以异质结方式构建的杂化型金属光子晶体。进一步实现金属光子晶体在柔性薄膜衬底和光纤端面上的转印。在深入的光物理学研究基础上，开展多种形式的传感器技术研究。.特别是将金属光子晶体以不同方式转移、集成于光纤端面，揭示其中特殊的光物理学功能，应用于折射率和SERS传感，研制“探针式”器件并实现“遥测”传感。为柔性纳米光子学、微纳集成光电子学提供新的研究方法。.二、重点研究结果: .(1) 实现了大面积金属光子晶体在高分子薄膜上的柔性转印，研究了不同形式柔性器件中的新物理学和新功能。(2) 基于柔性转印的等离激元光子晶体结构的应力、形变、声波传感和折射率传感特性研究。(3) 将薄膜等离激元光子晶体结构转印到光纤端面，系统研究了远程折射率传感特性，获得了大于16 OD/RIU的传感灵敏度。(4) 柔性可转印等离激元薄膜透镜及其在光纤端面的集成。(5)微透镜阵列的光刻制备及等离激元光子结构的转印。(6) 实现了等离激元光子结构在光纤端面的柔性转印，获得速度为飞秒量级的超快光学开关器件。.三、科学意义：.本项目基于等离激元柔性光子结构提出的新型制备技术、新物理学原理和新器件功能为集成化传感器技术和可穿戴光电子技术的新发展提供了新的、可操作性强的研究思路和技术方法。