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首都师范大学学报（自然科学版） 2024年第2期45卷 103-114页

作者：张萌周怡汐李志鹏首都师范大学物理系北京100048

表面增强拉曼光谱(SERS)技术由于其高灵敏度、指纹特性和非破坏性等特点,在各领域引起了广泛的关注和应用。金属纳米结构形成的纳米尺寸的间隙(纳腔)作为SERS技术的重要组成部分,其形貌、组成和间距决定了SERS光谱的灵敏性和稳定性。因... 详细信息

表面增强拉曼光谱(SERS)技术由于其高灵敏度、指纹特性和非破坏性等特点,在各领域引起了广泛的关注和应用。金属纳米结构形成的纳米尺寸的间隙(纳腔)作为SERS技术的重要组成部分,其形貌、组成和间距决定了SERS光谱的灵敏性和稳定性。因此,构建高质量的等离激元纳腔备受关注。本文旨在综述纳腔的构建方法及其在SERS中的应用。首先,介绍SERS增强的基本原理;其次,分类讨论制备高灵敏、可调控及均匀纳腔的方法,包括疏水衬底自收缩法、两步光还原法、模板法、自组装法和应变诱导开裂法等;再次,介绍SERS技术在食品安全、环境卫生以及生物医学等领域中的应用;最后,对SERS技术的前景进行展望,指出其在不同领域中的潜在应用价值和挑战。

关键词：表面增强拉曼散射等离激元纳腔增强因子

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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

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物理学报 2022年第2期71卷 289-297页

作者：孟勇军李洪唐建伟陈学文华中科技大学物理学院武汉430074

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... 详细信息

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单颗粒Yb^(3+)/Tm^(3+)共掺杂纳米晶与由单根金纳米棒构成的等离激元纳腔进行耦合,实验上对比了同一颗纳米晶与金纳米棒耦合前后上转换发光的光谱、发光寿命和激发功率依赖特性的变化.实验结果与理论上通过结合电磁仿真和速率方程模拟得到的结果相符.研究结果表明,等离激元纳腔调控纳米晶上转换发光光谱是激发场增强效应、Purcell效应和辐射效率变化三方面效应共同作用的结果.

关键词：上转换纳米晶等离激元纳腔光谱调控纳米操纵

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衬底上原子级凸起对隧道结中分子发光的影响

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Chinese Journal of Chemical Physics 2023年第1期36卷 1-8,I0001页

作者：朱嘉哲陈功董振超中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心合肥230026

扫描隧道显微镜诱导发光可以用于研究单分子的各种光电现象,理解所涉及的基本光物理机制.为了清楚地观察具有分子特征的发光,提高分子在金属纳腔中的量子效率非常重要.本文采用电磁学模拟的方法,从理论上研究了在银纳腔中衬底上原子级... 详细信息

扫描隧道显微镜诱导发光可以用于研究单分子的各种光电现象,理解所涉及的基本光物理机制.为了清楚地观察具有分子特征的发光,提高分子在金属纳腔中的量子效率非常重要.本文采用电磁学模拟的方法,从理论上研究了在银纳腔中衬底上原子级凸起对平行于衬底的点偶极发射特性的影响.这种衬底凸起结构可以大幅提高水平偶极发光体的量子效率,具有跟针尖尖端带有原子级凸起的情况类似的增强效应.本文还考察了在针尖和衬底都具有原子级凸起的双凸起隧道结结构,并发现这种结构与没有凸起情况相比,确实提供了显著增强的发光,但与单凸起的情况相比,似乎没能进一步提高量子效率.这些结果对今后的单分子扫描隧道显微镜诱导电致和光致发光研究具有指导意义.

关键词：扫描隧道显微镜诱导发光分子发光等离激元纳腔凸起结构光物理

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等离激元纳腔结构增强荧光的研究

等离激元纳腔结构增强荧光的研究

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作者：张诗雨华东师范大学

学位级别：硕士

表面等离激元(Surface plasmons,SPs)因其亚波长的模态场空间分布引起了广泛的关注,它可以极大地增强光子与材料之间相互作用的强度,这也推动了等离激元结构在增强荧光、拉曼光谱、热产生、光声学、光催化、非线性光学、太阳能转换等领... 详细信息

表面等离激元(Surface plasmons,SPs)因其亚波长的模态场空间分布引起了广泛的关注,它可以极大地增强光子与材料之间相互作用的强度,这也推动了等离激元结构在增强荧光、拉曼光谱、热产生、光声学、光催化、非线性光学、太阳能转换等领域的快速发展。传统的等离激元纳腔结构只能将光限制在深亚波长范围内(10 nm以下),要实现更严格限制的光场(如5 nm以下)具有一定挑战性。最近,镜面上的纳米颗粒(Nanoparticle on film,NPo F)等离激元纳米腔由于其极端光学限制和增强的能力,已在纳米光子学领域取得了突破性的进展。然而,这种纳腔结构的光学质量和性能被其中作为反射镜的多晶颗粒粗糙金属薄膜所限制。本论文设计了一种由单晶金微米片和金纳米棒(Nanoparticle on microplate,NPo M)构成的低损耗镜面等离激元纳腔结构。以结晶紫染料、单层二硫化钨(WS)为研究对象,探讨并对比了基于单晶金微米片和多晶粗糙金薄膜两种纳腔中发光物质的荧光特性,并利用有限差分时域(Finite difference time domain,FDTD)方法对纳腔结构的场分布进行了理论模拟,取得的主要研究结果如下:(1)利用原子力显微镜(AFM)—共聚焦显微复合系统,对纳腔结构进行表面形貌扫描,同时在532 nm连续光激发下,通过改变纳腔中间隔层厚度,调控结晶紫染料分子的荧光特性。结果表明:在基于单晶金微米片的NPo M纳腔尺寸为13 nm时,荧光增强效应在与淬灭效应的竞争中占主导地位,实现了结晶紫分子143倍的荧光增强,荧光寿命缩短5.4倍;而同条件下基于金薄膜的NPo F纳腔中对应的荧光增强因子仅为23.8,寿命缩减了1.8倍。此外,与纳腔耦合后的结晶紫荧光表现出了较好的线性偏振特性。(2)研究了纳腔与WS发生强耦合时激子的荧光特性。实验结果表明,在基于单晶金片的NPo M纳腔中荧光显著增强了204倍,且通过功率依赖测量发现纳腔中荧光饱和功率仅是自由空间的2%。而相同条件下基于多晶金膜的NPo F纳腔仅实现了37倍的荧光增强。此外,NPoM纳腔中WS荧光谱峰出现了劈裂,即在纳腔辅助下发生了强相互作用,中性激子捕获了光离载流子转换为带电三激子,在室温下实现了以三激子为主导的荧光发射。(3)研究了硅等离激元纳腔结构中模式耦合所引发的电磁诱导透明(EIT)现象,理论模拟了π型全介电硅超材料中明模谐振器和暗模谐振器之间的间隙距离对EIT透射谱的影响,同时模拟了纳腔间隙中模场强度随间隙宽度的变化。结果表明,间隙宽度为20nm时,可实现透射率高达99%,Q因子为2436的低损耗窄带EIT发射,纳腔中场增强则达到了10量级。综上,本论文初步探索了基于低损耗单晶金片的NPo M等离激元纳腔与发光物质在弱耦合和强耦合作用下对其荧光动力学的影响,并在室温下实现了以较低功率诱导WS中强三激子(Trions)发射,这些成果不仅为实现高灵敏的荧光探针提供了思路,还对带电激子在光电器件中的应用发展具有重要意义。

关键词：等离激元纳腔结晶紫染料分子二硫化钨荧光增强三激子

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