Ag/ZnO纳米结构的荧光增强效应

利用化学合成方法制备了Ag纳米线和ZnO量子点。对这两种纳米结构的表面形貌、晶体结构和光学性质分别进行了研究。结果表明：Ag纳米线和ZnO量子点均为单晶结构,平均直径分别为160 nm和5 nm左右。将Ag纳米线混入ZnO量子点可以使其紫外荧光显著增强,其中位于345 nm和383 nm 的荧光分别增强30倍和12倍。这与Ag纳米线和ZnO量子点混合体系的局域表面等离子体共振耦合吸收峰位相一致,说明该体系存在两种共振耦合模式。该研究结果为将来开发ZnO基纳米发光器件提供了一条新的途径。     

不同密度银纳米粒子对氧化锌基发光二极管发光的增强

采用分子束外延法制备不同密度的银纳米粒子(AgNPs)修饰的局域表面等离子体共振增强n-ZnO/iZnO/MgO/p-GaN异质结发光二极管(LEDs),并对其电学及光学性质进行表征。结果显示:LEDs中引入适当浓度的AgNPs有利于AgNPs局域表面等离子体激元与ZnO激子相耦合,可以显著提高器件的电致发光性能;随着AgNPs浓度的增加,LEDs发光增强倍数先增大后减小,分析认为这是AgNPs局域表面等离子体共振耦合增强过程和AgNPs的消光过程两者之间相互博弈而导致的结果。     

表面等离子体增强氧化锌纳米带发光特性的研究

利用简单的化学气相沉积方法在低温下高产量地合成了ZnO纳米带, 并利用磁控溅射对样品进行表面修饰, 制备了Au-ZnO复合纳米带. 通过扫描电镜、透射电镜及微区拉曼等手段系统地研究了表面修饰对ZnO 纳米材料发光性能的影响.结果表明, 在ZnO纳米带上溅射Au纳米颗粒, 可有效增强其近带边发光并使可见发光强度发生淬灭, 从而增强ZnO纳米带的发光性能. ZnO纳米带发光增强因子η最大可达到85倍. 基于Au纳米颗粒的散射、吸收、Purcell增强因子, 以及Ostwald熟化理论, 又进一步探讨了Au-ZnO复合材料的发光机制. 采用表面等离子体耦合的方法可以有效地提高光电半导体器件的发光效率. 关键词： 表面等离体子 光致发光 氧化锌     

Ag-Al纳米球二聚体的光学性质研究

金属纳米材料因其表面等离子体共振特性而备受关注。异质结构的金属纳米材料的光学特性相比于同质结构因其材料的不同破坏了原有结构的对称性,对称性的破坏将引起光学性质的改变,相邻两个颗粒之间的相互作用会产生Fano共振。Fano共振是由异质纳米结构的表面等离子体共振耦合引起的,通过合理地调控表面等离子体共振的耦合,将进一步调控Fano共振的强度同时促使异质结构的电场增强特性和辐射特性得到进一步优化。受金银等贵金属的带间跃迁影响,金属铝纳米材料成为研究紫外-近紫外光区的表面等离子体共振研究最佳选择。采用有限时域差分方法研究了Ag-Al纳米球二聚体的光学特性。研究了Ag和Al纳米球组成的二聚体的吸收光谱与入射光偏振方向、纳米球半径、颗粒间距和介质折射率等几何结构及物理参数的关系,并深入讨论了二聚体的局域场分布规律;讨论了获取更高效的Fano共振光谱的方法。由于材料的对称性被破坏,异质二聚体的光学性质与同质二聚体明显不同,Ag-Al异质纳米球二聚体呈现出在紫外和可见光区的双Fano共振现象。Ag-Al二聚体表面等离子体互相耦合引起Fano共振从而导致表面等离子体的共振抑制和增强。研究结果对在紫外-可见光区的表面等离子体应用、纳米光学器件的设计与开发及基于表面等离子体共振的表面增强光谱、生物传感和检测研究等有一定参考价值。     

含双挡板金属-电介质-金属波导耦合方形腔的独立调谐双重Fano共振特性

基于表面等离子激元在亚波长结构的传输特性,设计了一种含双挡板金属-电介质-金属波导耦合两个方形腔的结构.由F-P谐振腔产生的宽谱模式与两个方形谐振腔产生的两个窄谱模式发生干涉作用,形成了独立调谐的双重Fano共振,而且可以通过改变两个方形腔的大小及填充介质实现双重Fano共振的独立调谐.基于耦合模理论,定性分析了该结构产生双重Fano共振的机理.利用有限元仿真的方法,定量分析了结构参数对可独立调谐双重Fano共振和折射率传感特性的影响.结果表明,优化参数后该结构的灵敏度分别高达1020和1120 nm/RIU, FOM值分别高达3.59×10~5和1.17×10~6.该结构可为超快光开关、多功能高灵敏度传感器和慢光器件的光学集成提供有效的理论参考.     

Al纳米颗粒表面等离激元对ZnO光致发光增强的研究

基于聚苯乙烯球自组装法,在P型氮化镓(P-GaN)衬底上制备了有序致密的掩模板;采用热蒸发法在该模板上沉积金属Al薄膜,通过甲苯溶液去除聚苯乙烯球,得到了金属Al纳米颗粒阵列;采用原子层沉积法,在Al纳米颗粒阵列表面依次沉积氧化铝(Al_2O_3)和氧化锌(ZnO).通过测试Al纳米颗粒阵列的消光谱以及ZnO薄膜的光致发光谱,研究了Al纳米颗粒表面等离激元与ZnO薄膜激子之间的耦合效应.实验结果表明:引入Al纳米颗粒后,在约380 nm位置附近的ZnO近带边发光峰积分强度增强了1.91倍.对Al纳米颗粒表面等离激元增强ZnO光致发光的机理进行探讨.     

金属亚波长结构的表面增强拉曼散射

灵敏度高、可重复性好的固态表面增强拉曼散射基板可作为生物医学、环境科学、化学化工、纳米科技等领域的生化感测器,具有十分重要的实际应用价值.传统的表面增强拉曼散射基于金属颗粒提供的局域表面等离谐振这一物理机制,但其组装不易且模式损耗大.本文基于周期性金属亚波长结构,构建增强拉曼散射信号的"热点",同时保证测量信号的可重复性.从表面光子能带结构出发,提出了区别于局域表面等离谐振的其他三种增强机制:表面等离子极化激元带边增强机制、间隙等离子极化激元增强机制以及二者相耦合增强机制.采用一定的工艺,提高金属表面平整度,抑制表面等离子极化激元的传播损耗,从而提高表面增强拉曼散射的增强因子.理论结合实验,且二者一致性好.研究结果有望将表面增强拉曼散射光谱技术进一步向实用化方向推进.     

单个等离激元纳米颗粒和纳米间隙结构与量子发光体的强耦合

在腔量子电动力学中,如果量子发光体与腔模式的耦合强度超过二者的平均损耗,就进入了强耦合区域,此时会形成部分光部分物质的新量子态—极化激元态.强耦合在室温玻色-爱因斯坦凝聚、极化激元激光、单光子非线性、量子信息等领域有重要的应用价值.基于单个金属纳米颗粒的结构可以支持局域表面等离激元共振,拥有极小的模式体积,非常有利于强耦合现象的发生.本文主要介绍了强耦合的理论背景、单个金属纳米颗粒和纳米间隙结构与量子发光体的强耦合、以及强耦合的动态调控,并展望了该领域的研究前景.     

双金属纳米天线在少周期激光中的宽带超快电磁响应

研究了耦合的核壳双金属纳米粒子天线的光场增强与超快时域响应. 在少周期激光的应用中, 如表面等离激元金属纳米器件中的超快响应探测元件, 这种双金属天线展示了超宽带共振频谱及控制局域表面等离激元增强的能力. 研究了二聚体、三聚体以及七聚体, 并且发现三聚体Ag/Au核壳结构显现了极高的场增强能力, 其场振幅增强因子超过了120, 并在5 fs的时间内场振幅迅速衰减为30, 保持了超快的光学响应特性. 利用该结构的表面等离激元增强效应产生高次谐波, 对于产生超快阿秒脉冲有着潜在的重要应用价值. 关键词： 纳米光学天线 双金属球壳结构 少周期激光脉冲 表面等离激元     

五边形截面的Ag纳米线局域表面等离子体共振模式

五边形截面的单晶Ag纳米线对ZnO量子点荧光具有增强的现象. 为解释这一现象, 利用时域有限差分法对五边形截面的Ag纳米线的局域表面等离子体共振模式进行了理论模拟. 结果表明, 五边形截面的Ag纳米线在紫外区域存在两个消光峰, 分别由Ag纳米线的横向偶极共振(340 nm)和四极共振(375 nm)引起; 这两个消光峰与ZnO量子点荧光增强峰相一致, 而且随着Ag纳米线的半径增大而红移; 消光峰对应的共振模式取决于Ag纳米线的截面形状; 根据Ag纳米线电场增强倍数与激发光波长变化关系曲线可知, 最大增强电场位于五边形截面的顶点处, 而边线处电场增强较小. 理论模拟的结果较好地解释了Ag纳米线/ZnO量子点体系的荧光增强现象, 也为Ag纳米线在提高半导体材料发光效率、生物探测等方面的应用提供有益的参考.     

局域表面等离激元

局域表面等离激元使得贵金属纳米颗粒具有丰富的光学性质,其应用涵盖能源、生物医学、安全、信息、超材料等诸多领域。文章简要介绍局域表面等离激元的基本性质、贵金属纳米结构中的局域表面等离激元共振耦合以及具有局域表面等离激元特性的贵金属纳米结构的一些重要应用。     

弯曲表面上ZnO亚微米棒阵列的制备

以ZnS和金属Zn粉末混合物为蒸发源以及金属Zn片为衬底,利用热蒸发气相沉积方法,在弯曲的金属Zn微球表面上,成功地获得了ZnO亚微米棒阵列结构。场发射扫描电镜研究表明:在弯曲的Zn微球表面,能自组织地生长出大量的截面为六边形的ZnO亚微米棒,这些亚微米棒的平均直径为500nm,长约1μm。棒的顶部是平滑的。能量散射X射线谱结果表明:合成的产品只存在Zn和O两种元素,其成分比例接近1∶1。没有观察到S元素。光致发射(PL)光谱显示:在387nm紫外波长处,出现一个强的半峰全宽为16nm的窄发光峰,可归属于ZnO的近带边发光,而509nm左右较弱的宽峰则源于界面缺陷态发光。这些研究结果说明我们所合成的这种ZnO亚微米棒阵列材料在紫外受激发射器件方面有着潜在的应用价值。     

金纳米双球系统的高灵敏光学传感与其消光系数及局域场增强之关联

系统地研究了最基本的单/双金纳米球系统的共振峰移动、局域场增强和消光谱等光学响应行为.发现在双金纳米球系统中,入射光除了能激发每个金纳米球的局域表面等离激元共振模式外,调整金纳米球间隙可使共振模式间产生强烈耦合,使系统局域场增强因子进一步提升,并增强光学传感能力和消光系数.有趣的是,受限于有限的局域场增强体积,具有高局域场增强因子的间隙为2 nm的双金纳米球系统的消光系数大幅降低,其消光系数和光学传感能力均低于5 nm间隙的系统.研究表明,双金纳米球系统的光学传感灵敏度不是由局域场增强幅度直接决定的,而与系统消光系数有相似的变化行为.这些结果可指导金纳米双颗粒和多颗粒系统的设计,为表面拉曼散射增强和光学传感等方面的应用提供创新性思路和方案.     

亚波长金属光栅的表面等离子体激元共振特性

亚波长金属光栅在共振波长处有光场局域增强、异常透射等现象,为深入认识其共振机制,本文研究了亚波长金属光栅的表面等离子体激元（SPP）共振特性。通过研究不同金属光栅的几何结构以及金属介电常数对SPP共振波长的影响,获得了3种共振波长的基本物理机制。采用周期边界元法进行数值模拟,在边界积分方程的基础上结合平面波展开方法来处理任意形状的周期性结构。模拟结果表明,3种共振波长可以分别由金属的材料、金属光栅周期和金属光栅厚度所调谐。该研究为微纳米光学器件的设计提供了依据。     

亚波长金属光栅的表面等离子体激元共振特性

亚波长金属光栅在共振波长处有光场局域增强、异常透射等现象,为深入认识其共振机制,本文研究了亚波长金属光栅的表面等离子体激元(SPP)共振特性。通过研究不同金属光栅的几何结构以及金属介电常数对SPP共振波长的影响,获得了3种共振波长的基本物理机制。采用周期边界元法进行数值模拟,在边界积分方程的基础上结合平面波展开方法来处理任意形状的周期性结构。模拟结果表明,3种共振波长可以分别由金属的材料、金属光栅周期和金属光栅厚度所调谐。该研究为微纳米光学器件的设计提供了依据。     

基于微腔耦合结构金属弯曲波导的光透射特性

提出了一种基于微腔耦合结构的等离子体弯曲波导新型滤波器,该滤波器由两个直角波导和一个矩形谐振腔组成,光通过该结构会激发表面等离子体激元(SPPs)。采用时域有限差分(FDTD)法研究了此结构SPPs的传播特性。结果表明,相比于传统的直波导结构,由于其会引发双边耦合效应,这种单微腔弯曲波导结构产生了更强烈的共振作用,其耦合效率也得到了进一步的提高。数值仿真结果表明,通过改变谐振腔的腔长,也可达到线性调节滤波器共振波长的目的。此外,在上述设计思路的基础上还提出了一种双微腔结构,此结构由一个弯曲波导与左右两个谐振腔组成,其可利用两个微腔透射波的叠加作用,产生动态可调控的等离子诱导透明效应。     

阴极荧光在表面等离激元研究领域的应用

表面等离激元以其独特的光学性质广泛应用于纳米尺度的局域电磁场增强、超高分辨成像及微弱光电探测.阴极荧光是电子与物质相互作用而产生的光学响应,利用电子束激发金属纳米结构能够实现局域等离激元共振,并在亚波长尺度实现对共振模式的调控,具有超高空间分辨的成像特点.阴极荧光探测通常结合扫描电子显微镜或透射电子显微镜而实现,目前己被应用于表面等离激元的探测及共振模式的分析.本文从阴极荧光物理机理出发,综述了单一金属纳米结构和金属耦合结构的等离激元共振模式阴极荧光研究进展,并总结了阴极荧光与角分辨、时间分辨以及电子能量损失谱等关键技术相结合的应用,进一步分析了其面临的关键问题,最后展望了阴极荧光等离激元研究方向.     

Ag纳米晶对Tm/Yb共掺碲酸盐玻璃上转换发光性能的影响

在稀土离子掺杂碲酸盐玻璃中引入Ag纳米晶,通过等离子共振(SPR)可使荧光发射得到增强,上转换发光效率得到明显提升。研究了Ag纳米晶对Tm3+/Yb3+共掺碲酸盐玻璃上转换发光的影响,分析了上转换发光机理。结果发现,经过(330℃,30 min)热处理后,玻璃中析出了Ag纳米颗粒,尺寸为5～8 nm。Ag纳米晶的引入可使玻璃上转换蓝、红光由三光子吸收转变为双光子吸收。由于局域场表面等离子体共振增强以及Ag与Tm3+之间的能量转移,使得含Ag纳米晶玻璃的荧光强度比不含Ag纳米晶的玻璃提高了约5倍。     

表面增强光学力与光操纵研究进展

金属纳米结构在光激发下产生的表面等离激元,可导致亚波长光场局域、近场增强等效应,在表面增强光谱、超灵敏传感、微流控芯片、光学力等方面有重要的应用.对于光学力而言,首先,由于表面等离激元共振及其导致的电场增强对于入射波长、几何结构等具有较强的依赖性,而光学力又与电场分布密切相关,所以可利用光镊(会聚光束)来操纵或筛选金属纳米颗粒;其次,入射光激发金属纳米颗粒聚集体后,在间隙形成的较大的近场增强和梯度,也可看作一种"等离激元镊",用于操纵其他颗粒;最后,当入射光的偏振改变甚至为新型光束的情况下,光学操纵将具有更高的自由度.本文首先简要介绍了表面等离激元增强光学力的计算;之后围绕光镊作用于等离激元金属纳米颗粒,等离激元镊作用于其他颗粒,与偏振、新型光场或手性结构相关的等离激元光学力这三个方面,综述了近年来表面等离激元金属纳米颗粒光学力和光操纵的一些新进展;最后提出了表面增强光学力与光操纵的若干研究趋势.     

基于亚波长人工微结构的电磁波减反增透研究进展

电磁波抗反射技术在太阳能电池、光学透镜、红外传感、探测器等众多应用场景中至关重要,长久以来一直是先进光学系统、光电器件研究领域热点方向之一.本文简略回顾了传统的减反的理论与方法;侧重介绍了近几年来基于亚波长人工微结构材料的电磁波减反增透相关研究进展,主要内容包括局域表面等离激元抑制光反射增强光耦合,传播表面等离激元局域共振模式诱导高透隧穿,超构材料诱导金属透明,人工微结构超表面红外、太赫兹减反等若干典型工作;探讨了亚波长人工微结构光学减反领域未来的发展方向与其所可能遇到的问题挑战.