新型金属微纳结构的光学特性及其应用研究

Isolated and continuous metallic nanostructures can localize, guide, modulate light in a nanoscale spatial region by the excitation of surface plasmons (SPs). These nanostructures have many application in integrated optics and sensing. In this proposal, we will carry on the following researches: 1) the mechanism of the localized surface plasmon resonances in some novel metal nanostructures will be studied, in order to maximize the localized electromagnetic field at the metal structure and enhance the optical nonlinear effect such as Raman scattering; 2) The interaction of localized surface plasmon resonances in metal nanoparticles and resonances in other dielectric structures (such as gratings) will be fully studied, to further enhance the localized electromagnetic field on the surface of particles, and to realize single molecular detection through Raman scattering for the application of sensing tracing harmful materials；3）The optical property of the metal nanoparticles dimer or chain will be experimentally studied when their distance tuned from sub-nanometer to 10 nanometers, which will be found wide applications in nonlinear optics. 4) We will also develop novel nanotechnologies to fabricate various metal nanostructures which can be used to confirm our design and then for sensing. The finish of this project will be valuable for the single molecular detection based on Raman Scattering, high harmonic generation as well as the research of surface plasmon polaritons.

连续或分立的贵金属纳米结构可以产生表面等离子共振，在纳米尺度下对光进行调制和传导，被广泛应用于集成光子器件和传感器上，是当前的研究热点。本项目主要进行如下研究：1）研究金属纳米结构的局域表面等离子共振的机理，探索如何增强光场的局域强度，而增强光学非线性效应，如Raman 散射；2）研究金属颗粒的局域表面等离子共振和其他微结构谐振（如光栅衍射）的相互作用，增强在金属颗粒表面的光场局域强度，从而实现单分子Raman散射探测，应用到痕量有毒物质等的探测上；3) 研究金属颗粒对或链的间距在亚纳米到10纳米尺度上变化时的光学效应，探索其在非线性研究上的应用；4）探索微纳结构的制备工艺和技术原理，制备出各种微纳结构，以验证相应的理论研究，并应用到实际的检测上。本项目的研究将对单分子检测的Raman散射技术和高次谐波研究有促进作用，发展的纳米制备技术将促进表面等离激元的实验研究。

金属微纳结构的表面等离激元是当前的一个研究热点，可以在纳米尺度上调控光场并能将光能强局域在纳米尺度上，因此可以用于增强非线性效应、感知纳米尺度上的物质变化、调控光束的特征等。因此如何设计和制备具有特定功能的表面等离激元微纳结构也是一个非常重要的技术研究热点。本项目聚焦在设计在最小尺寸上强局域光场、制备相应的结构和探索相应的应用。得到了如下的研究结果。1）设计并演示了纳米金草和光栅耦合增强光场局域强度，从而增强了拉曼散射的信号；设计并演示了金纳米颗粒和光栅导模耦合增强光场的结构，用于增强拉曼散射；2）发现了新型的钯基氢气传感机理，即通过弹性衬底放大钯氢反应的体积变化，从而使膜从镜面变成漫反射表面，演示了全光谱可视化光学氢气传感器。3）发展了多种纳米制备技术，比如可精密调控纳米颗粒对间距的方法，提出并演示了通过二维结构一次机械变形而制备三维光学功能结构的方法，通过水溶性聚合物改进纳米转移技术，发展了层层自组装制备三维微纳结构的技术等。项目总计发表了13篇学术论文，其中中科院一区论文9篇，影响因子大于10的三篇，大于6的一区论文9篇。申请了2项PCT专利，申请了6项中国发明专利，获授权中国发明专利3项。在国际会议上作特邀报告6次。获2017年度广东省科学技术奖二等奖