结合矢量光束与电子隧穿方法构建纳米尺度局域光场及其调控物理研究

According to the current research status of building and controlling novel beyond diffraction limit local optical fields, as well as the national strategic demands on the realization of novel nanoscale photonics devices, this project focuses on the investigation of controlling mechanisms, the underlining physics and potential applications of nanoscale optical fields. Combining novel vector beams and tip-enhanced near-field optical approach based on scanning tunneling microscopy, a stable and fully controllable nano-gap can be formed between a metal tip and substrate with materials. Via optical excitation and/or electron tunneling excitation, we will build and control the nanoscale optical field. Together with time-resolved fluorescence spectroscopy, by varying the power and wavelength of the excitation laser and also the magnitude and polarity of the bias voltage applied across the nano-gap, we can systematically study the optical emission and amplification behaviors of materials with the interaction of the local optical field. We will further elucidate the enhancement of the light emission and the controlling and manipulation mechanisms involved. We will explore the application of these new phenomena on novel nanoscale photonics devices, the mechanisms and their spatial limits. Our work will provide valuable information on the light manipulation at the nanoscale, and will contribute significantly for the development of novel nanoscale optoelectronic devices.

基于当前国际上新型超衍射极限局域光场构建与调控物理研究的发展趋势和实现新型光子信息器件的战略需求，本项目以纳米尺度的光场调控物理与应用为研究目标,结合新型矢量偏振光束和基于扫描隧道显微镜的针尖增强近场光学显微方法，在探针与样品基底之间形成可控操作的纳米间隙，通过光、电子隧穿激发与调控，构建纳米尺度的可控局域光场。结合瞬态荧光光谱学，通过改变激发光波长、强度和纳米间隙上所加的偏置电压的大小与极性，系统的研究材料在纳米局域光场作用下的光出射、光放大等特性与相应的光场调控机理，探讨这些特性在新型微纳光源器件方面的应用及其微观尺度极限。该工作的顺利开展，将为下一步实现纳米尺度的光操纵提供重要的物理基础，为新型纳米结构的光电子器件的研制做出重要的贡献。

根据新型局域光场构建与调控的研究现状和实现新型微纳光电器件的战略需求，本项目以微纳尺度的光激发和操纵为出发点，系统研究了光场与不同材料体系中的相互作用规律，探讨这些特性在新型微纳光源器件方面的应用。具体开展以下研究内容，取得了以下系列研究进展：.发展了局域光场的构建与光出射性质调控方法。利用针尖增强光学显微方法构建纳米尺度局域光场，研究偏置电压对单分子层材料光学出射性质的调控规律。实现了基于隧穿结的电驱动波长可调局域光场，获得光出射信号的增强放大。.构筑了聚焦矢量光束，实现二维半导体及异质结发光特性研究。利用矢量光束研究二维半导体层内及层间激子发光。构建了0D-2D异质结，利用矢量光束成像研究能量转移中的偶极矩跃迁。.通过偏振光激发调控局域光生载流子性能，实现二维半导体材料及异质结发光与光探测性能调控。实现室温高强度、高圆偏振度二次谐波发射（SHG）。通过局域光生载流子的调控与动力学研究,实现室温近100%圆偏振荧光出射。利用异质结界面光生载流子超快分离，实现了近红外波段皮秒电学响应。.项目在Nature Communications、Advanced Materials等学术期刊发表基金标注论文16篇，完成了预期的研究计划。项目的开展为实现纳米尺度的光操纵提供重要的物理基础，为新型纳米结构的光电子器件的研制做出重要的贡献。在纳米光子学材料与信息器件领域，培养一批优秀研究生，锻炼若干青年骨干教师，提升研究团队的综合科研水平与国际影响力，为提高我国在新型光电信息材料和器件研究领域的国际地位做出一定贡献。