基于表面等离激元的非线性光谱和分子动力学研究

随着现代微纳加工技术和近场显微术的长足发展，与表面等离激元相关的研究近年来受到了包括物理学、化学、材料学、生物学等多个领域的研发人员的极大关注，取得了令人瞩目的进展。本项目将着眼于表面等离激元的相干性、场（能量）高度局域性和频率可调性，发展与表面增强喇曼光谱技术互补的、基于表面等离激元的非线性光谱技术，借以对发生在金属-分子界面的分子动力学过程进行研究。我们将由所获得的光谱和动力学实验数据出发，建立合理的理论模型，从一定的角度对分子-金属-电子-外场之间的相互作用、电子/能量转移的特点和本质等重要科学问题给出相应的回答，以期加深对表/界面体系所呈现的结构-特性-力（相互作用）关系的理解。本项目所蕴含的学术思想及拟解决的关键科学问题具有前沿性，发展的基于表面等离激元的非线性光谱及表/界面分子动力学测量技术有望在凝聚相谱学和动力学、表/界面科学、微纳光子学及非线性光学等领域发现应用价值。

随着近年来基于表面等离激元的微纳光子学和低维材料学研究的快速发展，深入理解所涉及的表面等离激元行为机制、激子动力学、构效关系和协同机理等关键科学问题越发凸显其重要性。围绕这些关键科学问题，本项目组成员依托自主新建的超快激光实验室开展工作，聚焦凝聚相微纳结构体系的超快动力学机理方面，尤其关注涉及表面等离激元的微观过程和作用机制，取得如下研究进展：（1）在表面等离激元超快动力学研究方面，揭示了半导体–金属复合纳米结构中肖特基能垒驱动的电子转移与表面等离激元效应导致的热电子反向注入之间的通道竞争效应，揭示了双金属核壳纳米结构中不同表面等离激元模式激发下的超快弛豫动力学过程以及源于表面等离激元的局域加热和热电子转移之间的微妙关系和协同机制；这些工作在很大程度上拓展了对相关微纳体系中表面等离激元效应的认识。（2）在表面等离激元非线性光学研究方面，探索了表面等离激元局域场增强效应在微纳光学体系中的相干调控以及表面等离激元协助的方向性散射的行为机制。（3）在与表面等离激元超快动力学研究相辅相成的凝聚相微纳体系微观动力学过程和相互作用机制的研究方面，我们也取得了不俗的系列进展，所获诸多机理层面新认识为后续进一步开展等离激元谱学与动力学机理研究提供了有益的解析思路和方法。（4）发展了若干超快非线性光谱新技术和新策略，并致力于将其拓展至基于表面等离激元的谱学和动力学研究。这些探索将为后续正在进行的、旨在获取令人捉摸不定的表面等离激元时域结构信息的挑战性工作提供技术支撑和知识储备。本项目执行的四年里，已在本领域主流学术期刊发表研究论文18篇（均标注项目资助号），其中包括Nature Commun. 1篇、Chem. Soc. Rev. 1篇、PRL 1篇、JACS 3篇、Angew. Chem. 4篇、Adv. Mater. 2篇、Macromol. Rapid Commun. 1篇、PCCP 1篇。项目组成员多次参加本领域的重要学术会议，并做了口头和展板报告。毕业博士1名、硕士2名，多名研究生获得各类学术奖项。综上所述，本项目已按计划顺利完成，并为后续的更为深入的相关研究打下了扎实的基础。