基于场效应管结构主动调控表面等离激元-量子点体系发光性能的研究

The interaction of surface plasmons and quantum dots is a fundamental scientific problem for many applications. So far, the observed value of enhanced factor has been far behind that of theoretical value. This project is focused on constructing an electro-optics platform based on field effect transistor structure to actively control the dielectric environment of the surface Plasmon and quantum dots system, which will be achieved by adjusting the gate-source voltage. Therefore, the study can make photoluminescence property of quantum dots not passively dependent on the fabrication quality and structure design of metal nanostructure and quantum dots. Moreover, active control of dielectric environment of surface Plasmon and quantum dots system can make observed value of enhanced factor closer to the theoretical value, and promote luminescence stability. Furthermore, the electro-optics platform can be used in other applications such as signal modulation. Thus, this project has both scientific meanings and application prospects.

表面等离激元与量子点等发光体系的相互作用是许多应用研究的基础科学问题。在表面增强荧光的研究中存在一个亟待解决的问题, 即实验观测和理论计算的荧光增强因子差距巨大。本项目在研究表面等离激元性质的基础上，针对量子点与纳米金属结构结合对表面等离激元介电环境改变引起共振模式及频率变化的问题，提出利用基于场效应管结构的表面等离激元电光平台，通过栅极-源极电压对电荷分布的控制实现对表面等离激元介电环境的主动调控，解决表面等离激元-量子点体系发光性能被动受制于纳米结构增强构型设计及量子点制备品质的问题。表面等离激元-量子点体系介电环境的精确调控有望使荧光增强因子达到理论预测结果，提升量子点发光性能，增强稳定性。本项目建立的表面等离激元电光平台可用于其他发光物质荧光增强发射的主动调控，并有望用于光信号调制等领域，因此具有重要得科学意义和应用价值。

本项目试图分析表面等离激元可调的金纳米结构的光场调控特性。基于等效介质理论可以大大节约计算机内存和计算时间，但往往忽略了微结构散射引起的能量损失，计算的结果不够精确。鉴于上述矢量电磁场理论计算的不足，本项目发展了一种基于矢量电磁场和标量衍射理论的新的计算方法，并用其对金纳米结构进行优化设计。首先采用时域有限差分计算纳米结构单元对光波散射的近场光场分布，提取近场的场强分布（振幅分布、相位分布），以此作为向远场传播的光波，通过延拓获得与实际结构相符合的计算尺度，再根据标量衍射公式得到远场探测器上的光强分布，从而得到与实际较为接近的计算结果。本项目发展了一种基于矢量电磁场和标量衍射理论的新的计算方法，并用其对同心金纳米盘-纳米环结构和交叉金纳米环（盘）结构的多重共振模式进行优化设计。通过溶剂热法制备氧化锌量子点，通过该项目的实施可以制备出尺寸在3-10纳米范围内连续可调的纤锌矿结构的氧化锌量子点，其对应的紫外发光可以在360-380nm范围内可调节，缺陷发光可以在530-580nm范围可调，并且可以通过改变反应溶剂的控制紫外发光和缺陷发光的相对强度。通过溶剂热法制备硫化隔量子点，通过该项目的实施可以制备出尺寸在3-8纳米范围内的闪锌矿结构的硫化镉量子点，发光峰位置在420-480纳米范围内可调节。本项目通过理论模拟与实验制备，基本完成了计划书所列内容。