微纳光学结构依靠局域共振、电磁场增强、慢光效应等机制，可有效地调控光与物质(原子、分子、量子点、非线性材料等)的相互作用特性，其理念已广泛应用于光子集成、灵敏信号探测和识别、生化传感、超分辨显微成像、高效太阳能电池及发光器件、疾病诊断及治疗、环境监测等重要领域。相关研究的一个关键点是针对特定应用，设计和制备出性能优化的微纳光学结构来。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)光物理实验室李志远研究员领导的L01课题组，最近在相关的理论和实验研究上取得了系列进展。
光子晶体共振微腔具有品质因子高、模场体积小的优点，以至于共振微腔中单个光子就能够实现和半导体量子点的强耦合相互作用，和其他光电材料相互作用也将产生丰富多彩的物理性质。最近，李志远和团队的博士生史哲、青年职工甘霖等一起，制备了硅光子晶体微腔-石墨烯复合结构，从实验上深入细致地研究了光泵浦下单层石墨烯载流子产生和转移对光子晶体微腔的共振波长和品质因子的调制作用等光电响应特性 (图1)。实验结果表明，该复合微纳结构有着复杂而丰富的光电物理过程，使得共振波长的移动及品质因子的变化随泵浦光功率的增加产生复杂的行为(图2)。该工作为深入探索微纳光电子结构和器件的光电子动态响应物理，进而研制超快、高灵敏度的有源光电子发光、激光、开关及调制等功能器件提供了有益的思路和启发。成果发表在ACS Photonics 2, 1513 (2015)上。
贵金属(金、银等)纳米颗粒在可见乃至近红外波段存在着强烈的局域表面等离子体共振，可大大增强荧光、拉曼、非线性辐射等光与物质相互作用过程。银纳米棒是一种经常使用的纳米颗粒，由于在其两个方向上具有不同的几何尺寸，其局域表面等离子体共振有横向、纵向两个模式。银纳米棒一般采用种子法生长，利用的种子一般为金、银十面体或金纳米棒等单晶小颗粒。利用这些方法生长的银纳米颗粒受限横截面半径大及生长种子对其光学性质影响，导致这些方法生长的银纳米棒一般在可见波段有共振吸收。李志远及博士生张超与佐治亚理工大学的Younan Xia团队合作，采用一种新的生长方法，利用钯十面体单晶小颗粒作为种子，沿着五重对称轴沉积银原子生长形成银纳米棒(图3)。这样生长的银纳米棒具有小的横截面半径(低于20 nm)、可控长宽比等特点。其横向局域表面等离子共振模式在400 nm以下，纵向模式可以在可见到近红外波段进行调控。这种在可见光谱中(400 ~ 800 nm)没有局域表面等离子共振的银纳米棒颗粒在触摸屏显示器、太阳能电池片、节能智能窗的制作等领域有重要的应用。研究成果发表在ACS Nano 9, 10523 (2015)上。
近红外波段的光学技术对于生物分子，活细胞组织等具有非侵入性的优点，在蛋白质学和基因学中有着广泛使用。李志远及博士生张超与Younan Xia团队及意大利萨兰托大学Dario Pisignano团队合作，设计并制备了一种基于金纳米笼颗粒的衬底，可以对近红外波段的荧光进行增强。由于金纳米颗粒对于荧光增强的幅度与荧光分子-纳米颗粒纵向间距和横向位置等几何参数有很重要的关系，合作团队设计了一种方法来控制荧光分子与金纳米笼颗粒的间距(图4)，从而可以控制使得衬底平面范围内荧光分子获得均匀的荧光增强幅度。当间距控制在 80 nm的间距时，在660~740 nm波段可获得大概2~7倍的荧光增强。这项技术可以达到平面内纳米级控制，对于软物质细胞等信息探测和诊断有重要的应用前景。研究成果发表在ACS Nano 9, 10047 (2015)上。
以上研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部和中国科学院项目的支持。
图1. 硅光子晶体共振微腔-石墨烯复合结构的光电响应实验测量示意图。
图2. 硅光子晶体微腔的共振波长和品质因子随泵浦光功率增加的变化实验结果。
图3. 银纳米棒的扫描透射电镜图和消光光谱测量图。
图4. 金纳米笼颗粒衬底的制备及其应用于LD700荧光分子荧光辐射增强。
