等离激元增强光与物质相互作用
编者按：
光学是现代科学和技术的基础：现代科学的两大支柱量子力学和相对论是建立在对黑体辐射、光电效应和光速不变性等的深刻理解基础之上的；光通讯、显示、存储和计算等光信息技术, 光伏和 LED 等光能源技术, 激光诊断和治疗等光医疗技术, 以及激光加工和制造技术等先进光学技术的发展, 极大地推动了人类社会的进步. 随着纳米科学和光学器件小型化的发展, 光学进入了微纳时代. 比如紫外到可见光的波长范围大约在100—760 nm, 微纳尺度的研究对象是小于光波长的, 这就需要研究突破光的衍射极限的新现象、新物理和新术. 表面等离激元是金属表面自由电子的集体振荡, 是固体中的一种元激发, 具有准粒子特性, 具有奇特的光学性质和强烈的共振效应, 能够把光束缚在纳米结构表面, 从而克服光的衍射极限. 表面等离激元的光学特性取决于形态各异的纳米结构, 有着丰富的物理和广阔的应用前景, 是纳米光学研究的重要基础, 对相关现象的研究迅速发展成一门新兴的学科 — 等离激元光子学.
等离激元光子学是一门高度交叉的前沿科学, 涉及光学、凝聚态物理、化学、生命科学、材料科学等众多科学门类, 也孕育了众多极具广泛应用前景的技术, 如具有单分子灵敏度的超灵敏光谱检测、等离激元光催化、超构材料/超构表面成像及隐身技术等, 有望为信息、生物、能源等领域带来众多突破性的变革. 为了帮助读者系统了解等离激元光子学领域的最新进展, 推动对等离激元增强光与物质相互作用研究的进一步深入, 本刊特组织“等离激元增强光与物质相互作用”专题, 邀请部分活跃在本领域前沿方向的专家, 从等离激元的激发、耦合、传播、弛豫、调控、与物质相互作用等基础研究方面, 以及光波导、光催化、光镊、增强光谱、人工超构材料等应用研究方面, 综述最新的进展、问题、现状和展望. 希望这个专题能够为国内等离激元光子学领域的学术交流做一些贡献, 推动这一新兴领域向更高水平发展, 与更多学科进行更广泛的交叉, 并推动部分技术的推广应用.
2019, 68 (14): 147302.
doi: 10.7498/aps.68.20190802
摘要 +
光学衍射极限极大地制约了纳米光子器件的发展和应用. 基于表面等离激元的纳米器件由于具有突破衍射极限传播和处理光信号的特性而受到广泛关注. 通过调控表面等离激元的传播, 可以实现纳米尺度上光信号的调制, 对片上集成纳米光子回路和光信息处理技术的发展具有重要意义. 本文主要介绍了表面等离激元传播调制的基本原理及近年来的研究进展, 并分析了不同类型的表面等离激元传播调制的特点.
2019, 68 (14): 144101.
doi: 10.7498/aps.68.20190606
摘要 +
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.
2019, 68 (14): 144201.
doi: 10.7498/aps.68.20190269
摘要 +
微纳光子结构中超强的光场局域给光和物质相互作用带来了新的研究机遇. 通过设计光学模式, 微纳结构中的光子和激子可以实现可逆或者不可逆的能量交换作用. 本文综述了我们近年来在微纳结构, 尤其是表面等离激元及其复合结构中光子和激子在强弱耦合区域的系列研究工作, 如高效可调谐及方向性的单光子发射, 利用电磁真空构造增强光子和激子的耦合等. 这些工作为微纳尺度上光和物质作用提供了新的物理内容, 在芯片上量子信息过程及可扩展的量子网络构建中有潜在应用.
2019, 68 (14): 144401.
doi: 10.7498/aps.68.20190476
摘要 +
表面等离激元微纳结构能够将光场束缚在亚波长尺度, 实现突破光学衍射极限的光操控, 并显著增强光与物质的相互作用. 在基于表面等离激元机理的光电器件研究中, 微纳结构的自身光吸收通常被认为是损耗, 而通过光热效应, 光吸收则可有效利用并转换成热能, 其中的物理过程研究和应用是当前等离激元学领域的热点方向. 本文回顾了近年来表面等离激元微纳结构光热效应的相关工作, 聚焦于表面等离激元热效应的物理过程、热产生和热传导调控方式的研究进展. 在此基础上, 介绍了表面等离激元微纳结构在微纳加工、宽谱光热转换等方面的应用.
2019, 68 (14): 146201.
doi: 10.7498/aps.68.20190564
摘要 +
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.
2019, 68 (14): 147102.
doi: 10.7498/aps.68.20190345
摘要 +
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.
2019, 68 (14): 147103.
doi: 10.7498/aps.68.20190331
摘要 +
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.
2019, 68 (14): 147104.
doi: 10.7498/aps.68.20190434
摘要 +
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.
2019, 68 (14): 147301.
doi: 10.7498/aps.68.20190276
摘要 +
等离激元共振能量转移指表面等离激元将俘获的能量通过偶极-偶极相互作用转移到邻近的半导体或分子等激子体系中, 它是等离激元非辐射弛豫的一个通道, 也可作为获取和利用等离激元共振能量的一种方式. 此外, 等离激元能量还可以通过热电子弛豫(非辐射)和光散射(辐射)等方式耗散. 等离激元各个弛豫通道之间存在着很强的关联, 相关的能量转移和电荷转移过程可以将等离激元耗散的能量输送到其他体系或转换为其他能量形式. 本文主要介绍了等离激元共振能量转移和与其相关的能量和电荷转移过程(包括等离激元近场增强及耦合、远场散射、热电子弛豫等)的物理机制和动力学性质, 并详细介绍了这些机制在增强光催化研究领域的最新进展.
2019, 68 (14): 147303.
doi: 10.7498/aps.68.20190469
摘要 +
等离激元学连接着光子学和电子学, 在光产生、显微显示、数据存储、光集成和光子芯片、传感技术和纳米制造技术等方面展示出重要应用, 正极大地促进既拥有纳米电子学的尺寸又兼有介电光子学速度的新一代信息材料和器件的发展. 但是, 传统上绝大部分等离激元材料和器件都是基于静态的设计, 即一旦被制备, 其性能也就确定, 人们无法根据需求进行实时的主动调控. 因此, 近年来人们开始从应用需求出发, 致力于研制动态调控的等离激元材料和器件. 本文总结等离激元材料和器件的动态调控研究进展, 给出动态调控等离激元材料和器件的基本原理, 即通过动态改变材料中金属微纳结构的等效介电函数、动态调节系统外部环境、动态控制结构中的耦合效应等, 实现对等离激元材料和器件性能的实时动态控制. 在此基础上, 分别以等离激元材料、等离激元超构材料、等离激元超构表面等为例, 展示在电、光、力、温度、环境等外部作用下相关材料和器件性能的实时改变和动态控制, 期望推动发展新型亚波长光电功能材料和器件.
2019, 68 (14): 147304.
doi: 10.7498/aps.68.20190782
摘要 +
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.
2019, 68 (14): 147401.
doi: 10.7498/aps.68.20190458
摘要 +
灵敏度高、可重复性好的固态表面增强拉曼散射基板可作为生物医学、环境科学、化学化工、纳米科技等领域的生化感测器, 具有十分重要的实际应用价值. 传统的表面增强拉曼散射基于金属颗粒提供的局域表面等离谐振这一物理机制, 但其组装不易且模式损耗大. 本文基于周期性金属亚波长结构, 构建增强拉曼散射信号的“热点”, 同时保证测量信号的可重复性. 从表面光子能带结构出发, 提出了区别于局域表面等离谐振的其他三种增强机制: 表面等离子极化激元带边增强机制、间隙等离子极化激元增强机制以及二者相耦合增强机制. 采用一定的工艺, 提高金属表面平整度, 抑制表面等离子极化激元的传播损耗, 从而提高表面增强拉曼散射的增强因子. 理论结合实验, 且二者一致性好. 研究结果有望将表面增强拉曼散射光谱技术进一步向实用化方向推进.
2019, 68 (14): 147801.
doi: 10.7498/aps.68.20190305
摘要 +
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.
2019, 68 (14): 147802.
doi: 10.7498/aps.68.20190702
摘要 +
电磁波抗反射技术在太阳能电池、光学透镜、红外传感、探测器等众多应用场景中至关重要, 长久以来一直是先进光学系统、光电器件研究领域热点方向之一. 本文简略回顾了传统的减反的理论与方法; 侧重介绍了近几年来基于亚波长人工微结构材料的电磁波减反增透相关研究进展, 主要内容包括局域表面等离激元抑制光反射增强光耦合, 传播表面等离激元局域共振模式诱导高透隧穿, 超构材料诱导金属透明, 人工微结构超表面红外、太赫兹减反等若干典型工作; 探讨了亚波长人工微结构光学减反领域未来的发展方向与其所可能遇到的问题挑战.
2019, 68 (14): 148103.
doi: 10.7498/aps.68.20190903
摘要 +
红外光谱能够精准反映分子振动的信息, 是表征材料成分和结构的重要手段. 但是纳米尺度材料与微米尺度红外光波长之间约三个数量级的尺寸失配导致两者之间相互作用十分微弱, 无法直接进行红外光谱表征. 因此如何获得微量纳米材料的红外光谱信息成为了近年来红外光谱领域面临的关键挑战. 等离激元能够将光场压缩实现局域光场增强, 从而增强光与物质的相互作用. 其中石墨烯等离激元因其具有高光场压缩、电学动态可调和低本征衰减等优点, 为表面增强红外光谱提供了重要的解决方案. 本文首先从不同材料体系出发介绍了红外等离激元, 在此基础上从石墨烯的基本性质出发总结石墨烯等离激元及其在表面增强红外光谱上的优势, 并重点介绍了石墨烯等离激元增强红外光谱的最新进展和应用, 包括单分子层生物化学探测、气体识别和折射率传感等. 最后对石墨烯等离激元增强红外光谱的下一步发展方向和应用前景进行了展望.
2019, 68 (14): 149101.
doi: 10.7498/aps.68.20190337
摘要 +
表面等离激元近年来受到了广泛的关注. 得益于表面等离激元的强局域约束作用, 光场和能量被限制在亚波长尺度上, 因而各种光和物质相互作用可得到显著的增强. 表面等离激元的特性与材料、形貌、结构密切相关, 相应的共振波长可覆盖紫外、可见光、近红外到远红外的光谱波段. 由于表面等离激元的强局域电场, 光与物质的相互作用, 如荧光、拉曼散射、非线性光学、光热转换、光-声效应、催化、光伏转换等, 都得以显著增强. 本文简要回顾了表面等离激元的物理特性, 具体讨论了各种基于表面等离激元增强的光和物质相互作用机理及相关应用, 并探讨了存在的问题和进一步发展的方向. 本文旨在为构造更高性能的表面等离激元器件, 发展相关技术, 进一步拓展表面等离激元的应用领域提供有益的参考.
