分子激发中的表面等离激元增强效应

金属纳米粒子的表面等离激元增强效应是纳米科学领域的一个研究热点.针对染料分子与金属纳米粒子的耦合系统,应用偶极-偶极近似计算分子与金属纳米粒子的库仑相互作用,并应用密度矩阵理论描述在不同极化方向的电场作用下的电荷输运过程,分析了分子与金属纳米粒子在不同相对位置下分子激发态的动力学过程,发现表面等离激元的增强效应与分子和金属钠米粒子的相对位置以及等离激元的耗散系数有密切关系,详细讨论了分子与金属纳米粒子间的耦合强度、外场的极化方向、等离激元的寿命及共振激发条件对分子激发态及表面等离激元增强的影响,分析了分子-金属纳米粒子耦合系统中表面等离激元增强效应的物理本质.     

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.     

金属表面等离激元耦合理论研究进展

金属表面等离激元作为一种微纳米结构中自由电子在光场作用下的集体振荡效应,由于其振荡电场被强烈地束缚在亚波长尺度范围内,可以作为未来微纳米光子回路及器件的信息载体,同时也可以在微纳米尺度上增强光与物质的相互作用.本文首先系统地从理论上总结金属与入射电磁波相互作用时的光学行为及性质,然后简述激发金属中不同等离激元模式的物理本质、金属表面等离激元振荡动力学过程及当前表面等离激元耦合理论的最新进展.     

开口狭缝调制的耦合微腔中表面等离激元诱导透明特性

耦合的波导-微腔结构在光滤波器、光调制器中有着广泛的应用.结构的光传输性质主要由模式的耦合强度来决定,而耦合强度通常通过控制结构间的几何间距来实现.由于电磁波在金属中急剧衰减,这为控制金属微腔中模式的耦合带来了巨大的挑战.本文利用金属微腔中法布里-珀罗模式的共振特性,在微腔中引入开口狭缝,通过调节狭缝的缝宽以及偏移位置,来控制模式的泄漏率以及耦合强度,实现了可调控的表面等离激元诱导透明效应.当狭缝的开口宽度或者偏移量增加时,结构透射谱的透射峰值和半高全宽也会相应地增加.狭缝的几何参数变化会对结构共振特性产生调制,文中通过时域耦合模理论对相应的物理机进行了解释.本文的结果为实现利于加工的紧凑表面等离激元器件提供了思路.     

光激发作用下分子与多金属纳米粒子间的电荷转移研究

金属纳米粒子在光激发作用下的增强作用是纳米科学领域的一个研究热点. 针对分子和多个不同位形下的金属纳米粒子在光激发下的相互作用展开了理论研究. 应用密度矩阵理论描述分子和金属纳米粒子同时激发产生表面等离激元后的电荷输运过程. 研究发现, 表面等离激元增强效应与分子和各个金属纳米粒子的相对位置有密切关系. 详细分析了金属纳米粒子间的耦合强度、分子和金属纳米粒子间的耦合强度、表面等离激元能级杂化、分子激发能和外场频率对表面等离激元增强效应的影响.     

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     

表面等离激元与磁表面等离激元

金属微纳结构体系中的表面等离激元以及磁表面等离激元因其独特的光学特性吸引了研究者们的极大兴趣,成为当前的热点研究领域之一．文章对表面等离激元尤其是磁表面等离激元的特点、基本现象、新颖效应及其应用研究前景的最新发展进行了介绍．     

表面等离激元纳米聚焦研究进展

表面等离激元是束缚于金属纳米结构表面的电磁模式,具有突破光学衍射极限和局域场增强等特点.当表面等离激元沿一维锥形纳米结构表面传播时,由于纳米聚焦效应,使得等离激元能量汇聚于锥形结构的纳米尖端,从而在该位置产生巨大的局域场增强.这一现象为电磁场能量在纳米尺度的定向输送提供了十分有效的路径,在分子光谱增强及传感领域得到广泛的应用.本文对近年来表面等离激元纳米聚焦在纳米光子学领域的研究进展进行了综述,并展望了这一领域未来的发展方向.     

表面等离激元调控化学反应

表面等离激元是金属与介质表面自由电子的集体振荡,能够突破衍射极限,将光束缚在纳米结构表面附近极小的空间内,为纳米尺度的光操控提供可能.利用表面等离激元共振,不仅可以增强局域表面电磁场强度,实现对表面附近分子荧光和拉曼信号的极大增强,而且等离激元弛豫诱导的热电子还可以调控表面分子的化学反应,提高反应速率和选择性,即等离激元调控(催化)化学反应.作为一种新型催化体系,等离激元催化已经实现了多种传统光催化中难以发生的化学反应,是表面等离激元领域的前沿热点问题.由于等离激元催化反应的复杂性与多样性,其反应动力学过程的完全表征和反应机理的揭示仍然是一个巨大的挑战.精确表征催化反应的中间及最终产物,获取反应动力学过程中更多的细节信息,对于探索等离激元催化机理,以及设计更为合理高效的催化体系极为重要.本文围绕等离激元催化的最新研究进展,总结并探讨等离激元催化中所使用的各种表征技术.首先,简单介绍了等离激元催化的基本概念和催化机理.其次,综述了拉曼光谱(包括表面/针尖增强拉曼光谱),在等离激元催化原位监测中的应用,并进一步详细介绍了气相色谱法、气相色谱-质谱联用、高效液相色谱法、扫描透射电子显微镜、扫描隧道显微镜、扫描电化学显微镜、紫外可见吸收光谱等技术在等离激元催化反应研究中的重要作用.最后,探讨了这些表征技术在等离激元催化动力学过程研究和催化机理探索中的特点与优势,并展望了等离激元催化及相关表征技术的发展与挑战.     

旋转对称表面等离激元结构中极端局域光场的准正则模式分析

金属微纳结构中表面等离激元能够将自由空间光场局域到亚波长甚至纳米尺度,增强光与物质相互作用等各种物理过程,为等离激元光学在诸多领域带来诱人的应用.然而,目前对表面等离激元光学模场的局域性定量描述仍主要基于直观的空间几何尺寸确定的模式体积,并常被用于刻画模场与物质相互作用的强度.本文基于准正则模理论发展了表征表面等离激元结构中光场局域的理论描述方法,并针对两类典型结构的表面等离激元共振进行了系统的模式分析.结果显示表面等离激元共振可由多个本征模式构成,观察到的光场局域是所有模式共同作用的结果,只有当共振对应单一模式时可以用该本征模式的模式体积描述光场局域.最后,基于上述结果,本文探讨了极端局域光场和近来出现的"皮米腔"的光场局域本质.     

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。     

激发光的表面等离激元增强效应导致的双光子荧光增强(英文)

理论上研究了吸附在金纳米颗粒表面的CdSe量子点的双光子荧光增强效应。在偶极近似下,全面地考虑了金纳米颗粒的存在造成的表面等离激元共振增强效应和以金纳米颗粒作为受体的非辐射能量转移效应,给出了金纳米颗粒对量子点双光子荧光的增强因子。通过数值模拟,给出了将贵金属纳米颗粒更有效地用于增强双光子荧光的方法,即将贵金属纳米颗粒的表面等离激元共振峰调至激发波长处,尽可能地增大激发光的表面等离激元共振增强效应。上述理论分析结果很好地验证了已经报道的实验结果。     

基于表面等离激元光镊的新型纳米热源研究

针对纳米尺度热现象研究的需求,基于表面等离激元光镊对金纳米颗粒的动态操控能力,设计了一种实时、动态、可控的纳米热源。利用有限元法对光镊系统中金纳米颗粒的光热效应与表面等离激元电磁场强度的关系进行了模拟,阐明了由于表面等离激元和局域表面等离激元的耦合作用导致的电磁场能量聚集和增强,以及同时实现的金属纳米颗粒的光热效应;分析了在该光镊系统捕获金属颗粒过程中颗粒所产生的热效应,并由此得到了实时控制纳米热源热功率的方法。在理论研究的基础上设计实验并证实了该光镊系统中金纳米颗粒基于光热效应的加热能力。结合表面等离激元光镊系统对纳米热源的精确定位操控能力,该系统为纳米尺度热现象的研究提供了灵活而可靠的手段。     

基于含时密度泛函理论的表面等离激元研究进展

纳米粒子的局域表面等离激元(LSP)由于其新颖的光学特性成为目前国内外研究的热点之一. 本文利用含时密度泛函理论(TDDFT)对金属团簇及石墨烯纳米结构中的等离激元激发及调制的物理本质进行了研究. 和宏观大小的材料相比, 由于纳米结构的尺寸和量子受限效应, 纳米结构的等离激元具有一些不同的特征. 在低能共振区, 光谱线发生展宽, 并且发生劈裂. 由于纳米单体间的电磁耦合作用, 使聚合的纳米结构表现出了与单体不同的光学性质. 这些结果为等离激元的调控提供了坚实的理论指导.     

非对称银纳米双环表面等离激元光谱特性

贵金属纳米材料在入射光激发下能够产生表面等离激元,即金属表面自由电子产生集体振荡。当其振荡频率与入射光频率相同时,发生表面等离激元共振,形成一种特殊的电磁场模式和光谱特性。利用该电磁场模式和光谱特性, 能够调节金属纳米材料的光谱学行为,例如通过改变金属纳米结构的大小、形状以及周围介质介电常数等参数, 在微纳尺度上实现光谱学信号的有效调控。目前,除了具有一定对称性的贵金属纳米材料被大量研究和应用外,非对称纳米结构的表面等离激元光谱特性也受到广泛关注。研究表明,在可见-近红外波段光谱范围内设计表面等离激元光电传感器件的关键问题在于,如何有效地调节其消光谱的共振波长、半峰宽以及峰值强度等主要特征参数。提出一种基于银纳米双环组成的非对称结构,利用时域有限差分方法,在可见-近红外波段内,通过分别改变银纳米双环的尺寸、间距及入射光偏振方向等参数,计算了该纳米结构在不同条件下的消光谱。结果表明,在0.4～3 μm的消光谱内,入射光能够激发产生两个独立的表面等离激元共振峰。通过研究峰值波长处的电场分布图发现,上述共振峰分别对应两种不同的电磁场模式。结果还表明,消光谱内两个独立的共振峰可以通过改变该双环结构的不同参数,被分别地进行调节。其中,可以通过改变该双环结构的半径来有效调节短波长峰的共振波长和半峰宽,同时保持长波长峰的共振波长和半峰宽基本不变。此外,通过改变两环间距或入射光偏振方向,可以分别以不同趋势来调节两个共振峰的峰值强度。在提出的非对称银纳米双环的消光谱中,获得了能够被分别调节的两个表面等离激元共振峰,研究结果能够为可见-近红外波段内基于银纳米材料光电传感器件的开发设计提供理论基础。     

基于气相沉积等离激元纳米粒子/三维石墨烯-镍泡沫复合结构的高灵敏度表面增强拉曼检测

本文提出一种基于气相沉积银纳米粒子和三维石墨烯-镍泡沫的复合等离激元结构.该结构是利用气相纳米团簇束流技术将高密度的银纳米粒子直接沉积于三维石墨烯-镍泡沫的表面制备而成.与传统银纳米结构相比,复合三维等离激元纳米结构具有"热点"数量多,局域场更强的特点,可作为基于表面增强拉曼技术的高灵敏度化学传感器.拉曼测试实验结果表明,该三维纳米结构在表面增强拉曼检测中可获得灵敏度高,重复性好的探针拉曼信号.通过进一步的理论模拟,发现该三维等离激元结构中增强的拉曼信号主要归因于纳米粒子与纳米粒子之间以及纳米粒子与石墨烯-镍泡沫衬底之间的多重近场耦合效应.     

基于气相沉积等离激元纳米粒子/三维石墨烯-镍泡沫复合结构的高灵敏度表面增强拉曼检测（英文）

本文提出一种基于气相沉积银纳米粒子和三维石墨烯-镍泡沫的复合等离激元结构.该结构是利用气相纳米团簇束流技术将高密度的银纳米粒子直接沉积于三维石墨烯-镍泡沫的表面制备而成.与传统银纳米结构相比,复合三维等离激元纳米结构具有"热点"数量多,局域场更强的特点,可作为基于表面增强拉曼技术的高灵敏度化学传感器.拉曼测试实验结果表明,该三维纳米结构在表面增强拉曼检测中可获得灵敏度高,重复性好的探针拉曼信号.通过进一步的理论模拟,发现该三维等离激元结构中增强的拉曼信号主要归因于纳米粒子与纳米粒子之间以及纳米粒子与石墨烯-镍泡沫衬底之间的多重近场耦合效应.     

Mie谐振耦合的亚波长金属孔宽带高透射传输

表面等离激元共振激发的亚波长金属孔透射较Bethe理论有大幅度的提高,然而,由于共振对频率的敏感性以及金属在光频的高损耗特性,表面等离激元共振难以实现亚波长金属孔的宽带高透射传输.本文采用放置在金属孔两边的硅纳米颗粒的Mie谐振耦合取代表面等离激元共振,实现亚波长金属孔的宽带高透射传输.全波仿真结果表明,采用Mie谐振耦合的亚波长金属孔(r/λ=0.1)光传输,透射系数超过90%的带宽达到65 nm,与表面等离激元共振诱导的透射增强相比,峰值增高了1.5倍,3 dB带宽拓宽了17倍.根据耦合模理论,建立了Mie谐振耦合亚波长金属孔透射的等效电路模型,并在临界耦合状态下反演出电路模型中的元件参数值.进一步研究发现,仅通过改变等效电路模型中的耦合系数,就可全面揭示Mie谐振耦合亚波长金属孔透射的传输规律,并得到与全波电磁仿真完全一致的结果,从而找到光与放置硅纳米颗粒的亚波长金属孔相互作用的数学表达,也给予人们在光学领域按照电路设计方法构建相应功能模块的启示.     

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.     

一维原子链局域等离激元的非线性激发

本文基于含时密度泛函理论, 研究了不同频率光脉冲场作用下一维钠原子链中电子的输运与等离激元共振之间的耦合规律. 在等离激元共振点附近约0.8 eV频率范围内的光脉冲场, 都可以激发体系的等离激元共振. 这些不同频率外场激发的等离激元共振强度大小在一个数量级. 外场频率越接近等离激元共振频率, 外场激起的等离激元振动的振幅越大. 对于线性原子链等离激元的非线性激发现象, 本文用经典谐振子模型给出了定性解释.