光子晶體共振微腔具有品質(zhì)因子高、模場體積小的優(yōu)點(diǎn)，以至于共振微腔中單個(gè)光子就能夠?qū)崿F(xiàn)和半導(dǎo)體量子點(diǎn)的強(qiáng)耦合相互作用，和其他光電材料相互作用也將產(chǎn)生豐富多彩的物理性質(zhì)。最近，李志遠(yuǎn)和團(tuán)隊(duì)的博士生史哲、青年職工甘霖等一起，制備了硅光子晶體微腔-石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)，從實(shí)驗(yàn)上深入細(xì)致地研究了光泵浦下單層石墨烯載流子產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移對(duì)光子晶體微腔的共振波長和品質(zhì)因子的調(diào)制作用等光電響應(yīng)特性 (圖1)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該復(fù)合微納結(jié)構(gòu)有著復(fù)雜而豐富的光電物理過程，使得共振波長的移動(dòng)及品質(zhì)因子的變化隨泵浦光功率的增加產(chǎn)生復(fù)雜的行為(圖2)。該工作為深入探索微納光電子結(jié)構(gòu)和器件的光電子動(dòng)態(tài)響應(yīng)物理，進(jìn)而研制超快、高靈敏度的有源光電子發(fā)光、激光、開關(guān)及調(diào)制等功能器件提供了有益的思路和啟發(fā)。成果發(fā)表在ACS Photonics 2, 1513 (2015)上。

　　貴金屬（金、銀等）納米顆粒在可見乃至近紅外波段存在著強(qiáng)烈的局域表面等離子體共振，可大大增強(qiáng)熒光、拉曼、非線性輻射等光與物質(zhì)相互作用過程。銀納米棒是一種經(jīng)常使用的納米顆粒，由于在其兩個(gè)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(gè)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(duì)其光學(xué)性質(zhì)影響，導(dǎo)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(yuǎn)及博士生張超與佐治亞理工大學(xué)的Younan Xia團(tuán)隊(duì)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(duì)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(diǎn)。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(jìn)行調(diào)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(jié)能智能窗的制作等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。研究成果發(fā)表在ACS Nano 9, 10523 (2015)上。

　　近紅外波段的光學(xué)技術(shù)對(duì)于生物分子，活細(xì)胞組織等具有非侵入性的優(yōu)點(diǎn)，在蛋白質(zhì)學(xué)和基因?qū)W中有著廣泛使用。李志遠(yuǎn)及博士生張超與Younan Xia團(tuán)隊(duì)及意大利薩蘭托大學(xué)Dario Pisignano團(tuán)隊(duì)合作，設(shè)計(jì)并制備了一種基于金納米籠顆粒的襯底，可以對(duì)近紅外波段的熒光進(jìn)行增強(qiáng)。由于金納米顆粒對(duì)于熒光增強(qiáng)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(shù)有很重要的關(guān)系，合作團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(nèi)熒光分子獲得均勻的熒光增強(qiáng)幅度。當(dāng)間距控制在 80 nm的間距時(shí)，在660~740 nm波段可獲得大概2~7倍的熒光增強(qiáng)。這項(xiàng)技術(shù)可以達(dá)到平面內(nèi)納米級(jí)控制，對(duì)于軟物質(zhì)細(xì)胞等信息探測和診斷有重要的應(yīng)用前景。研究成果發(fā)表在ACS Nano 9, 10047 (2015)上。

　　以上研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部和中國科學(xué)院項(xiàng)目的支持。

 

　　圖1. 硅光子晶體共振微腔-石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)的光電響應(yīng)實(shí)驗(yàn)測量示意圖。

 

　　圖2. 硅光子晶體微腔的共振波長和品質(zhì)因子隨泵浦光功率增加的變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

 

　　圖3. 銀納米棒的掃描透射電鏡圖和消光光譜測量圖。

 

　　圖4. 金納米籠顆粒襯底的制備及其應(yīng)用于LD700熒光分子熒光輻射增強(qiáng)。