基于半导体量子点光增益的表面等离激元受激辐射研究

金属表面等离激元纳米谐振腔被认为是实现超小型新颖激光光源的关键器件，即表面等离激元受激辐射激光器。然而，由于金属介质对其所产生的表面等离激元共振波具有较高的吸收损耗（欧姆损耗）则制约着表面等离激元受激辐射的产生及其应用。如在金属介质附近引入光增益介质则有可能补偿金属介质对表面等离激元共振波的吸收损耗。但目前提供光增益的介质的稳定性差、器件制备的工艺复杂以及要求高泵浦功率，使得表面等离激元受激辐射研究依然困难。因而，本项目提出了利用高效发光、稳定性高的半导体量子点作为光增益介质，借助较强光波约束能力的金属纳米颗粒为单元的表面等离激元波导，以及具有高折射率的纳米颗粒作为反馈的表面等离激元受激辐射结构。这不仅能够实现持续的光增益，还可以通过合理调控介质层介电常数及其匹配来最大限度的降低表面等离激元共振波的耗散，从而用相对简易的方法来实现高光增益高效反馈低欧姆损耗低泵浦功率的表面等离激元受激辐射。

金属表面等离激元纳米谐振腔被认为是实现超小型新颖激光光源的关键器件，即表面等离激元受激辐射激光器。然而，由于金属介质对其所产生的表面等离激元共振波具有较高的吸收损耗（欧姆损耗）则制约着表面等离激元受激辐射的产生及其应用。如在金属介质附近引入光增益介质则有可能补偿金属介质对表面等离激元共振波的吸收损耗。但目前提供光增益的介质的稳定性差、器件制备的工艺复杂以及要求高泵浦功率，使得表面等离激元受激辐射研究依然困难。因而，本项目提出了利用高效发光、稳定性高的半导体量子点作为光增益介质，借助较强光波约束能力的金属纳米颗粒为单元的表面等离激元波导，以及具有高折射率的纳米颗粒作为反馈的表面等离激元受激辐射结构。这不仅能够实现持续的光增益，还可以通过合理调控介质层介电常数及其匹配来最大限度的降低表面等离激元共振波的耗散，从而实现表面等离激元受激辐射。项目主要研究以下内容：研究以稳定高效发光的半导体量子点与以金属纳米颗粒为单元的表面等离激元波导的光波耦合，研究如何通过调节镶嵌有半导体量子点介质层的参数实现对表面等离激元共振波的高效持续光增益；研究如何通过改变介质层中低吸收损耗高折射率的纳米颗粒尺寸或颗粒种类以及所处薄膜的介电环境，形成高效的表面等离激元反馈结构；结合以上研究结果，制备表面等离激元受激辐射结构。项目组在4年期间利用自己提出的油酸辅助无注入法制备了单分散的CdS、CdTe和CuInS2半导体发光量子点，研究了这些量子点和金属表面等离激元微结构间的相互作用；探讨了发光激子与表面等离激元的耦合作用，通过Pucell因子给出了激子和表面等离激元可能的耦合距离，同时确定发光基质中激子的平均位置；发现在局域表面等离子增强激发、发射和散射等因素中，增强激发截面是起到了决定性的作用；此外，我们还在增强电致发光方面进行了继续深入，发现通过调节金属银颗粒的尺寸和形貌可以改善电致发光器件的出光率及量子效率。项目组先通过染料和金属纳米颗粒的复合体系研究表面等离激元调控的受激辐射，发现当染料分散于溶液或嵌入SiO2层中时，都可得到随机激射；进而，我们对Au@SiO2/QDs复合体系的制备和其增强发光、Förster能量转移进行了较系统的研究，并在此基础上第一次实现了Ag纳米壳表面等离激元与CdSe QDs中激子的光致发光强耦合，其Rabi分裂能量高达120 meV。发表论文31篇，申请专利4项。