贵金属纳米阵列表面等离激元共振局域场增强特性研究

We put our research emphasis on the field enhancement properties of surface plasmon resonance in the noble metal nanoarray system. After the investigation of our research, we are able to get mature grown technic which is contralable, cheap and safe to the evironment. Also, we could discover many intriguing phenomena which is led by the interaction between the surface plasmon resonance and materials. It is believed that our findings could help to build applications for the functional plasmonic devices..Our research will be carried out theoretically as well as experimentally. Firstly, we will develop and optimize an electrochemically grow method for the fabircation of the nanoarrays. Meanwhile, the field enhancment properties of surface plasmon resonance in metal nanarrays will be measured by photoluminescence (PL) and the dynamics interactions in nanosystem will be analyzed by time-correlated single-photon counting (TCSPEC) system, both with the exication beam being a mode lock femto-sencond laser. Also, we could use Z-scan system to mesure the nonlinear absorption and refraaction properties of the surface plasmon in nanoarrays. On the theoretical part, we could uncover the fundamental physics of plasmon in metal nanoarray systmen by simulate and analyze the observed phenomena, so as to support the design of functional plasmonic nanostructures. . The investigation findings in this research work not only help us develop the fabrication technique for noble metal nanoarray, but also exploit our understanding of the surface plasmon resonance field enhancement properties in nanoarray system. Our research can give rise to various applications in the plasmonic nanodevice design, which could be utilized in enhanced photoluminescence, chemical identification and biodetection, and the fabrication of fuctional materials.

本课题研究贵金属表面等离激元共振的局域电场增强特性。通过本课题的研究，旨在掌握成熟可控、经济环保的等离激元材料生长工艺，发现等离激元共振强局域电场与物质相互作用的规律和奇异性质特性，为开发各种等离激元器件提供思路和研究方法。.本课题将从理论和实验两个方面开展研究。在实验上，课题将从贵金属纳米阵列制备方法的探索入手，研究以电化学方法为主的微纳阵列加工工艺。同时，通过光致发光探测系统、发光动力学测试系统、Z-Scan探测系统等飞秒测试系统研究等离激元共振增强与物质相互作用的特性。另一方面，在理论分析中，本课题通过分析实验研究的结论，总结归纳贵金属纳米阵列等离激元共振局域电场增强规律，为设计新型等离激元功能材料提供理论依据。. 通过本课题的研究，不仅可以发展贵金属纳米阵列的制备工艺，而且明确金属阵列等离激元场共振增强特性、以及与物质相互作用的规律，对于开发设计人工微纳功能材料具有重要意义。

表面等离激元由于能够在亚波长尺度操控和增强电磁场，因此是的能够产生此类特殊激元的金属纳米材料在诸多领域都体现出独特的优异性能。虽然多种金属纳米材料都能产生表面等离激元特性，但是考虑到后续异质结构集成以及器件加工等因素，无疑金属纳米阵列可以体现出其他种类的材料无法取代的优势（因为它们具有相比其他材料有更大的工作面积以及更强场增强效应）。本课题便是针对于贵金属等离激元阵列的制备，特殊优异光学性能，以及潜在的器件应用研究所开展的研究。通过3年的研究，本项目在实验和理论上都取得了一定的成果，共发表SCI论文10篇，其中包括Nature Communication一篇，Nanoscale两篇，影响因子超过4的论文6篇。主要的学术成果以及其科学意义如下：.1、.开发了新型的脉冲交流电化学金属纳米阵列沉积法。该方法不仅能够省去传统直流金属阵列生长方法中复杂烦冗过程，同时能够高质量整齐的生长各种等离激元共振峰可控的贵金属纳米阵列。利用这种方法，我们成功制备整齐且具有优异柔性金属阵列，为制备主动和被动柔性等离激元阵列提供了新的思路和方法。.2、.结合优化的氧化铝模板生长技术以及离子束溅射方法，我们成功制备出大面积的阵列间距小于10nm的，具有强等离激元共振特性贵金属纳米阵列。与主流制备类似阵列的电子束曝光方法相比，我们的方法具有低成本、操作简易、实验条件环保、样品面积提高2-3个量级的优势。利用该阵列，我们发现了阵列薄膜体系最高非线性吸收系数，同时也首次成功将间距小于10nm的金属阵列材料与半导体层集成，制备出小型光电探测芯片器件。.3、.将具有特殊的宽带吸收特性的等离激元颗粒阵列薄膜（半连续岛膜）与氧化铝模板结合，成功解决反射型等离激元打印器件无法实现全彩输出的问题。同时，基于我们提出结构制备简易特性，我们得到了目前为止最大面积的等离激元打印图案（厘米量级）。.4、.理论上发展了一套半量子模型，成功解释金属纳米阵列中的雪崩发光特性；利用Green函数方法有效的解释了金属纳米阵列、金属颗粒阵列薄膜表面局域态密度分布等问题。对于设计和开发等离激元增强器件提供重要的理论算法。