表面等离激元的传播与调控研究

Plasmonic nano-waveguide is the key component to build nano-photonic devices, which draws intense interests of current research. Under the support of NSFC, several fundamental problems have been solved, such as, the emission direction and polarization of propagating surface plasmons in nanowires. Especially, the nanowire-based optical modulator, splitter and logic networks have been accomplished successfully. All these research achievements are considered to be exciting for future nanophotonic applications. Hence, in this project we focus to the system of nanowires coupled with nanoparticle antenna, substrates of different kinds. By reshaping the morphology of synthesized single crystal nanowires using chemical or physical micro fabrication methods, we will attempt to find the way to improve the efficiencies of excitation between light and nanowires, as well as coupling between nanowires each other. Further more, the interaction of nanowire with substrate can results in huge enhancement to the local field which could be used as the “hot site” of surface enhanced Raman scattering. The near-field scanning microscope will also be utilized to detect the distribution of near field intensity and propagating phase around the nano-waveguide. With the full investigation of surface plasmon properties in the far field and near field, a deep understanding of the mechanism of plasmon propagation will greatly promote development of nano-photonic devices.

表面等离激元光波导是纳米光子器件中必不可少的重要元件。纳米光波导一直是国际上的热点研究问题。在青年基金项目支持下，申请人已完成了纳米线波导中传播表面等离子体的发射方向、偏振态等研究，并实现了纳米光调制器、分光器及光逻辑回路，在纳米光子学领域取得了一定的成果，发表SCI文章15篇（第一作者6篇，通信2篇），包括Nano Lett.，Small，PRB等国际重要期刊，总引用超过百次。本课题在青年基金基础上，将研究对象拓展到纳米波导耦合体系，利用化学和物理的方法对纳米线形貌进行改性和修饰，实现对传播表面等离激元发射强度和偏振态等性质的调控。课题将重点解决光与纳米线波导、波导与波导之间的耦合效率问题，弄清波导与纳米颗粒天线、基底的耦合作用对远场发射和近场局域表面增强特性的影响。利用近场扫描显微镜，对复杂纳米线体系的近场光强和传播位相进行直接观察，为纳米光子器件的设计和制造奠定重要的实验基础。

表面等离激元（SPs）是金属表面自由电子的集体振荡，可以把光场束缚在纳米结构表面，实现纳米尺度的光调控。随着纳米科学的发展，其在信息、光谱领域展示出了巨大的应用前景。本项目将研究对象锁定在纳米波导、纳米天线，及其复合体系。主要关注此类体系中传播和局域SPs的传播和耦合过程，发现其中的物理现象和机制，拓展纳米光调控和光操纵手段，并应用于纳米光子器件的构建和超灵敏探测手段的研发。在项目执行期间，主要开展了以下几方面的研究工作：.1，在纳米天线方面，发现了量子效应导致的亚纳米间隙纳米天线发射偏振特性的改变，为构建量子纳米器件提供了实验和理论基础。工作发表在ACS Nano上，并受到X-MOL等科技媒体的推荐报道。另外，还研究了非对称金属纳米颗粒天线的近场旋光响应，在表面等离激元共振传感方面的具有一定的应用价值。.2，在纳米波导方面，研究了纳米线-石墨烯复合体的非线性饱和吸收特性。研究表明，该复合体系可用于发展新型非线性光学器件，如激光锁模、Q开关等。另外，我们还发现了纳米线-颗粒体系中，和颗粒形貌取向相关的发射偏振特性，可用于构建纳米偏振调控器件。进一步，通过光化学方法，我们实现了对纳米波导形貌的调控，获得了一种锥形的纳米波导，可用作高效率的纳米聚焦探针。.3，纳米光操控方面，发现了纳米颗粒Fano效应导致的横向散射光学力的捕获效应，由此提出了一种新的散射光学力捕获和筛选机制。筛选精度可小于几个纳米。在此之前，国际上尚无达到此精度的光捕获报道。工作发表在ACS Nano上，获得了国际评审专家的较高评价。.4, 表面增强光谱检测方面, 获得了多种高增强因子的表面增强拉曼和荧光基底，并发展了一种芯片级别的单分子检测技术，将SPs增强光谱进一步推向应用。相关成果已转化为国家发明专利。.5，近场检测技术方面，搭建了外差近场扫描显微镜系统，并初步获得了一些实验结果，观测到了在纳米金片中传播的SPs导致的驻波现象。相关结果正在整理中。.以上结果发表文章10篇，包括ACS Nano 2篇（影响因子13.3），Nanoscale 1篇（影响因子7.7），受邀拟写纳米天线方面的综述1篇。申请国家发明专利4项，其中已获批1项。参加国际国内学术会议11次，其中邀请报告7次。毕业硕士生4人；在读硕士生6人；博士生1人。项目主持人入选教育部新世纪优秀人才支持计划；获得教育部霍英东青年教师基金。