纳腔等离激元对分子上和分子旁边的隧穿电子诱导发光的作用研究

本文使用含时量子主方程,从理论上计算了当分子或者等离激元分别被激发的情形下等离激元-分子耦合体系发光特性的时间和光谱演化,并在此基础上讨论了纳腔等离激元在扫描隧道显微镜（STM）诱导发光中发挥的不同作用.当STM针尖在分子上方,隧穿电子可以直接激发分子时,纳腔等离激元的主要作用是通过提高分子的辐射速率来增强其发光,此时耦合体系表现出具有分子特征的尖锐发光峰.另一方面,当STM针尖非常靠近分子边缘但没有载流子注入直接激发分子时,等离激元-分子之间的相干耦合会在这两个量子客体之间产生相消干涉,导致在分子激子能量附近出现法诺共振,使我们观察到具有法诺凹谷特征的等离激元发光光谱.     

单分子尺度的光量子态调控与单分子电致发光研究

分子尺度上的光电相互作用研究可以为发展未来信息和能源技术提供科学基础.扫描隧道显微镜不仅可以用来观察和操纵纳米世界中的原子和分子,而且其高度局域化的隧穿电流还可以被用来激发隧道结中的分子,使之发光,以研究局域场下的分子光电特性.本文综述了中国科学技术大学单分子光电研究组近期在锌酞菁分子电致发光方面取得的科学进展,包括：1）利用有效的电子脱耦合与纳腔等离激元调控技术,实现了隧穿电子激发下的单个锌酞菁分子的电致荧光,并通过发展相关的光子发射统计测量方法,表征了单个分子在隧穿电子激发下的电致荧光具有单光子发射特性;2）发展了具有亚纳米空间分辨的荧光光谱成像技术,实现了对酞菁分子间相干偶极相互作用特征的实空间观察;3）对分子与纳腔等离激元之间的相干耦合作用进行了亚纳米精度的操控,在单分子水平上观察到了法诺共振和兰姆位移效应.这些研究结果不仅为研发基于有机分子的电泵纳米光源与单光子光源等分子光电器件提供了新的思路,而且为在单分子尺度上研究分子光电特性、分子间能量转移以及场与物质之间的相互作用规律等提供了新的表征方法.     

扫描隧道显微镜诱导单分子发光热荧光现象的全量子理论

使用量子主方程方法从理论上研究了STM诱导分子电致发光现象,并特别考虑了分子和量子化等离激元相互作用对于单分子光学性质的影响. 分子-等离激元相互作用大大增加了分子的自发辐射速率和分子发光的的强度,而且当分子自发辐射速率和振动弛豫速率可比拟的时候,将会出现热荧光现象.     

钠原子连接的C_(60)富勒烯二聚物的等离激元激发

基于含时密度泛函理论,研究了钠原子连接的C60富勒烯二聚物的等离激元激发。由于碱金属钠原子和C60分子之间的耦合,在红外光谱区,钠原子连接的C60富勒烯二聚物出现了等离激元共振激发。随着C60分子之间间隙的逐渐减小,红外光谱区的等离激元先发生红移,之后发生了蓝移。在间隙较大,C60分子间电容性相互作用时,中红外光谱区的等离激元是一种多极共振模式。在间隙较小时,由于电子的隧穿,中红外光谱区的等离激元逐渐演化为近红外光谱区的另外一种等离激元共振模式,该等离激元共振模式是长程电荷转移激发模式和多极共振模式的耦合。     

二维方形量子点体系等离激元的量子化

量子点体系等离激元的研究是光电子学领域的热点.为进一步加深和完善对等离激元的量子效应的认识,本文利用紧束缚近似和线性响应理论研究了二维方形量子点体系对外场的集体响应.结果表明,当外场频率等于等离激元的频率时,量子点体系会有强烈的电荷振荡,并伴随着能量的极大吸收和近场的增强.在量子点中,等离子体存在分立的元激发.等离子体元激发的个数将随着量子点尺寸和电子个数的增加而增加.随量子点尺寸的增加,分立的等离激元将逐步呈现准连续的特性,即过渡为经典连续的等离激元,其频谱曲线演化为经典的色散曲线.结果还表明:随量子点尺寸的增加,等离激元的频率会红移,等离激元的激发强度会增大;随量子点中电子数的增加,等离激元的频率会蓝移,等离激元的激发强度会增大.     

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.     

Ag(100)表面α-6T分子的自组装和STM诱导发光

利用扫描隧道显微镜诱导发光技术, 对有机分子α-6T在Ag(100)表面的自组装和光子发射特性进行了研究. 发现在极低的覆盖率下,α-6T分子以四个分子形成一种独特的风车形状的异构体. 随着覆盖率的增加,α-6T分子倾向于肩并肩紧密排列形成条纹状结构. 进一步增加覆盖率时,分子以低层分子的条纹结构作为模板,一层一层往上生长. 在五层分子厚度的样品上,利用光致方法可以获得分子荧光,这说明顶层分子已经被有效脱耦合. 然而在同样的样品上,STM诱导发光光谱却只展现出类似等离激元的发射特性. 在这种情况下,分子荧     

表面等离激元“热点”的可控激发及近场增强光谱学

金属纳米结构中特定表面等离激元模式的光学激发及其相互作用是发展高分辨、高灵敏、高精度界面光谱学的物理基础.本文综述了我们研究组近期在表面等离激元共振的光学激发、分类识别、近场增强及在界面光谱学中的应用等方面的进展,主要内容包括:1)利用时域有限差分法,分析了金属粒子-基底体系中SPR"热点"产生的物理机制及影响因素,讨论了电模式和磁模式下界面"热点"的可控激发及"热点"转移的影响因素; 2)利用粒子-金膜体系,实现了可见光频率的表面等离激元磁共振,并利用其形成的"热点"进行了表面增强拉曼光谱实验,获得了比常规电模式更高的拉曼增强; 3)通过界面SPR"热点"增强二次谐波的实验和理论研究,提出并实现了空间分辨率达到1 nm的等离激元增强二次谐波纳米尺; 4)讨论了针尖增强拉曼光谱及针尖增强荧光体系中的空间分辨率、定向发射等关键共性问题的解决方案.相关研究成果可为界面SPR"热点"的可控激发及进一步发展表面增强拉曼、针尖增强拉曼、表面等离激元增强二次谐波等各类高灵敏度,高空间分辨率的界面光谱学方法提供新的思路.     

基于表面等离激元场的分子反射镜的理论研究

本文提出了一种基于微纳金属膜结构激发的表面等离激元场的分子反射镜新方案,利用中性分子与金属表面垂直方向上蓝失谐消逝波光场之间的偶极力相互作用,实现入射分子束的表面反射.理论计算了表面等离激元场的空间分布,用蒙特卡洛方法模拟了分子在该场中运动的动力学过程,得到了分子反射镜的反射率与相互作用时间和入射光强之间的关系.结果表明:当入射激光脉宽为10 ns,光强为I=1.0×109W/cm2时,纵向温度为10 mK,横向温度为1 mK的碘分子束反射效率达到55.89%,而且反射率随着入射光强的增大而增大.     

表面等离激元耦合体系及其光谱增强应用

当入射电磁波频率与金属微纳米结构中自由电子的集体振荡频率相当时,金属微纳米结构中激发表面等离激元共振,其共振电磁场被强束缚在亚波长尺度以下界面附近,使其具备极大的电磁场局域能力.这一效应可以极大程度地增强电磁波与物质的相互作用,在金属表面等离激元耦合体系中尤为明显.本文简述了表面等离激元耦合效应、模式耦合理论以及对应的结构耦合体系.另外,还介绍了一类典型耦合体系在光谱增强中的重要应用,主要包括增强折射率传感、表面增强红外吸收、表面增强拉曼散射、表面增强光学非线性效应等.     

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.     

量子等离激元光子学在若干方向的最新进展

等离激元光子学是围绕表面等离激元的原理和应用的学科,是纳米光学的重要组成部分.表面等离激元的本质是局域在材料界面纳米尺度内的多电子元激发.这一元激发可以与电磁场强烈耦合,使得我们可以通过纳米尺度结构接收,调控和辐射微米尺度光信息,并由此衍生出等离激元光子学的诸多应用.近年来,随着纳米加工尺度逼近量子极限,等离激元的量子特性受到了广泛关注.量子尺度的等离激元承接电子的波动性和光的粒子性,以其独特的內禀属性,在量子信息、高效光电器件、高灵敏探测等方面表现出十分诱人的前景.本综述重点介绍量子等离激元近年来的发展现状,回顾相关理论的发展以及与等离激元量子特性相关的一些突破性成果.最后对量子等离激元未来的发展进行了展望.     

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.     

基于等离激元纳腔的单颗粒稀土掺杂纳米晶上转换发光光谱调控

等离激元纳腔可有效调控稀土掺杂纳米晶的上转换发光特性,其不仅能增强上转换发光强度,还可实现上转换发光光谱的调节.然而,目前利用纳腔进行上转化发光光谱调节的研究主要基于系综实验.相比系综实验,单颗粒实验由于可对同一颗上转换纳米晶进行对比研究,因而能够排除系综样品非均匀性对实验的影响.本文基于原子力显微镜原位纳米操纵技术将...     

金属-介质-金属纳米天线阵列的模式特性及荧光发射调控

设计一种支持多模式的金属-介质-金属纳米天线阵列结构,分析结构中的模式特性及其调控的发光过程。利用时域有限差分的方法模拟该结构的透射谱和电场分布,分析结构中局域表面等离激元模式和磁等离激元共振模式的特性以及激发光偏振调控的模式变化。将偶极子光源放在介质层中,模拟该天线阵列结构调控荧光分子的发光过程。结果表明:荧光分子的辐射和非辐射衰减速率增强因子、量子效率以及偏振特性受到了所提结构模式的有效调控;在一定波长范围内改变激发光的偏振方向可以对发光谱进行调谐。     

利用石墨烯等离激元与表面声子耦合增强量子摩擦

详细研究了以Si C为基底的石墨烯之间量子摩擦.由于Si C可以支持表面声子极化子,石墨烯可以支持表面等离激元,在一定的频率范围,表面声子极化子和等离激元能够耦合.发现相对于单纯石墨烯或Si C来说,由于表面声子极化子与石墨烯等离激元的共同作用,以Si C为基底的石墨烯之间的量子摩擦有很大的增强.此外,我们发现量子摩擦系数随石墨烯化学势的增加先增加后减小,摩擦系数可以取得最大值.本文的研究对于微/纳机电系统的制作具有积极的意义.     

D3h和D4h等离激元超分子的Fano共振光谱的 子集合分解解释

针对D_3h和D_4h对称构型金属纳米多颗粒集合即等离激元超分子表面等离激元共振光谱的子集合分解及其相对应的Fano共振光谱低谷的产生机理, 本文运用群论的方法做出了详细的分析研究. 运用与群论中求解分子简正振动模式类似的方法, 推导证实了在线偏振光入射时, D_nh环形多颗粒只有2个电偶极表面等离激元共振模式, 增加中心颗粒会使模式增加1个. 对D_3h和D_4h等离激元超分子的表面等离激元共振模式进行不可约表示基向量正交分解分析表明, Fano共振光谱低谷是由于两个起主要作用的相邻模式包含有共同的正交基向量, 并形成相消干涉而产生. 这进一步验证了Fano共振光谱低谷的起源除传统观点(即源自于宽频超辐射亮模式和窄频低辐射暗模式之间的耦合)之外的另一种解释视角.     

C_(60)富勒烯二聚物的等离激元激发

基于含时密度泛函理论,研究了C60富勒烯二聚物的等离激元激发.当两个C60分子靠近,分子之间的间隙较大,通过电容性相互作用时,二聚物的低能等离激元共振模式随着间隙的减小发生红移.进一步减小间隙时,由于电子的隧穿,C60富勒烯二聚物的等离激元共振模式发生了改变,长程电荷转移激发模式形成.与金属纳米结构二聚物不同,当再继续减小间隙时,长程电荷转移激发模式没有发生蓝移,而是继续红移.在可见光范围内,C60富勒烯二聚物有很强的吸收光谱.     

InGaAs/GaAs量子链的光学特性研究

研究了InGaAs/GaAs量子链的稳态和瞬态光谱特性,特别是载流子的动力学过程.实验发现荧光寿命有很强的探测能量依赖关系,荧光寿命随发光能量的增加而减小;实验还发现,当激发功率较小时,荧光寿命随激发功率增大而增大,当激发功率足够大时,荧光寿命趋于饱和.这些结果清楚地表明,在量子链结构中,参与发光的载流子之间存在明显的耦合和输运现象,进一步分析表明,这种输运主要是由于载流子沿量子链方向的耦合造成的.发光的偏振特性研究进一步证实了载流子沿量子链方向输运过程. 关键词： InGaAs/GaAs 量子点 量子链     

一组线性稠环芳香烃的等离激元激发

采用含时密度泛函理论,研究了一组线性稠环芳香烃量子点的等离激元激发.沿着线性稠环芳香烃所在的平面方向,体系中有两个主要的等离激元共振带:一个位于3.9 e V附近;另一个位于16 e V附近.随着线性稠环芳香烃长度的增加,在低能共振区,沿不同方向激发时,体系的吸收峰分别发生了蓝移和红移.此外,与并五苯相比,在低能共振区,一氯并五苯的吸收光谱的吸收峰发生了红移和展宽,其中氯原子位于并五苯的两端时对一氯并五苯等离激元激发影响较大.在低能共振区,线性稠环芳香烃的等离激元共振模式与石墨烯量子点相似.