微納光學結構依靠局域共振、電磁場增強、慢光效應等機制，可有效地調控光與物質（原子、分子、量子點、非線性材料等）的相互作用特性，其理念已廣泛應用于光子集成、靈敏信號探測和識別、生化傳感、超分辨顯微成像、高效太陽能電池及發光器件、疾病診斷及治療、環境監測等重要領域。相關研究的一個關鍵點是針對特定應用，設計和制備出性能優化的微納光學結構。中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）光物理實驗室李志遠研究員領導的L01課題組，最近在相關的理論和實驗研究上取得了系列進展。
光子晶體共振微腔具有品質因子高、模場體積小的優點，以至于共振微腔中單個光子就能夠實現和半導體量子點的強耦合相互作用，和其他光電材料相互作用也將產生豐富多彩的物理性質。最近，該團隊制備了硅光子晶體微腔-石墨烯復合結構，從實驗上深入細致地研究了光泵浦下單層石墨烯載流子產生和轉移對光子晶體微腔的共振波長和品質因子的調制作用等光電響應特性(圖1)。實驗結果表明，該復合微納結構有著復雜而豐富的光電物理過程，使得共振波長的移動及品質因子的變化隨泵浦光功率的增加產生復雜的行為(圖2)。該工作為深入探索微納光電子結構和器件的光電子動態響應物理，進而研制超快、高靈敏度的有源光電子發光、激光、開關及調制等功能器件提供了有益的思路和啟發。成果發表在ACS Photonics, 2015, 2, 1513上（DOI: 10.1021/acsphotonics.5b00469）。
圖1. 硅光子晶體共振微腔-石墨烯復合結構的光電響應實驗測量示意圖
圖2. 硅光子晶體微腔的共振波長和品質因子隨泵浦光功率增加的變化實驗結果
貴金屬（金、銀等）納米顆粒在可見乃至近紅外波段存在著強烈的局域表面等離子體共振，可大大增強熒光、拉曼、非線性輻射等光與物質相互作用過程。銀納米棒是一種經常使用的納米顆粒，由于在其兩個方向上具有不同的幾何尺寸，其局域表面等離子體共振有橫向、縱向兩個模式。銀納米棒一般采用種子法生長，利用的種子一般為金、銀十面體或金納米棒等單晶小顆粒。利用這些方法生長的銀納米顆粒受限橫截面半徑大及生長種子對其光學性質影響，導致這些方法生長的銀納米棒一般在可見波段有共振吸收。李志遠及博士生張超與佐治亞理工大學的夏幼南（Younan Xia）團隊合作，采用一種新的生長方法，利用鈀十面體單晶小顆粒作為種子，沿著五重對稱軸沉積銀原子生長形成銀納米棒(圖3)。這樣生長的銀納米棒具有小的橫截面半徑（低于20 nm）、可控長寬比等特點。其橫向局域表面等離子共振模式在400 nm以下，縱向模式可以在可見到近紅外波段進行調控。這種在可見光譜中（400 ~ 800 nm）沒有局域表面等離子共振的銀納米棒顆粒在觸摸屏顯示器、太陽能電池片、節能智能窗的制作等領域有重要的應用。研究成果發表在ACS Nano, 2015, 9, 10523上（DOI: 10.1021/acsnano.5b05053）。
圖3. 銀納米棒的掃描透射電鏡圖和消光光譜測量圖
近紅外波段的光學技術對于生物分子，活細胞組織等具有非侵入性的優點，在蛋白質學和基因學中有著廣泛使用。李志遠及博士生張超與夏幼南團隊及意大利薩蘭托大學Dario Pisignano團隊合作，設計并制備了一種基于金納米籠顆粒的襯底，可以對近紅外波段的熒光進行增強。由于金納米顆粒對于熒光增強的幅度與熒光分子-納米顆粒縱向間距和橫向位置等幾何參數有很重要的關系，合作團隊設計了一種方法來控制熒光分子與金納米籠顆粒的間距(圖4)，從而可以控制使得襯底平面范圍內熒光分子獲得均勻的熒光增強幅度。當間距控制在 80 nm的間距時，在660~740 nm波段可獲得大概2~7倍的熒光增強。這項技術可以達到平面內納米級控制，對于軟物質細胞等信息探測和診斷有重要的應用前景。研究成果發表在ACS Nano, 2015, 9, 10047上（DOI: 10.1021/acsnano.5b03624）。
圖4. 金納米籠顆粒襯底的制備及其應用于LD700熒光分子熒光輻射增強
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