等离子激元-光子异质纳米棒阵列的设计，可控制备与非线性光学性能研究

Currently the development of novel materials system with extraordinarily high nonlinear optical response and ultralow power excitation remains the focus and challenge in the field of nonlinear optical materials. The success of such development would play a crucial leading and driving role on the progress of the whole field of nonlinear optics. In this project, we will systematically investigate the design, controlled fabrication and nonlinear optical properties of plasmonic-photonic hybrid nanorod arrays. Highly ordered porous anodic alumina with a variety of tunable pore sizes will be fabricated through electrochemical synthesis, followed by pores widening process.Gold-2D atomic crystal quantum dot hybrid nanorod arrays will then be fabricated through sequential electrochemical deposition of gold and 2D atomic crystal quantum dots respectively. The plasmonic-photonic synergetic interaction between gold and 2D atomic crystal quantum dots, the photonic-photonic synergetic interaction between various 2D atomic crystal quantum dots, and the coupling effect between the plasmonic sections of adjacent nanorods, will all be demonstrated and manipulated. Through such precise manipulation, the extraordinarily high nonlinear optical response and ultralow power excitation of the nonlinear optical effects of the hybrid nanorod arrays would be realized. This would open up a new avenue towards future novel nonlinear optical materials.

现阶段非线性光学材料领域的研究热点和难点是如何开发具有超高非线性光学响应以及超低功率激发的新型材料体系。这类新型材料体系的成功开发，势必对整个非线性光学领域起到不可磨灭的引领与推动作用。在本项目中，我们将系统研究等离子激元-光子异质纳米棒阵列的设计，可控制备与非线性光学性能。拟采用电化学方法制备进而通过扩孔过程获得连续可调，不同孔径的高度规整的多孔氧化铝模版。然后采用电化学沉积的方法制备不同长径比的金纳米棒阵列，进而通过顺序电化学沉积获得金-二维原子晶体量子点异质纳米棒阵列。通过改变阵列的结构参数，揭示并调控金-二维原子晶体量子点之间的等离子激元-光子协同作用，二维原子晶体量子点之间的光子-光子协同作用，以及近邻纳米棒等离子激元部分之间的耦合效应。通过以上精确调控，实现金-二维原子晶体量子点异质纳米棒阵列的非线性光学效应的超高响应以及超低功率激发，为今后新型非线性光学材料的发展指明方向。

开发具有超高非线性光学响应以及超低功率激发的新型材料体系，在非线性光学材料领域具有重要意义，不过挑战性依然巨大。本项目通过设计制造新型的非线性光学材料以获得三阶非线性光学的超高响应以及超低功率激发。我们大胆创新，独立自主开发出二维材料量子片的普适和规模制备方法。由本体层状材料出发，通过全物理（硅球辅助球磨和超声辅助溶剂剥离）方式，我们首次实现了二维材料量子片（包括石墨烯量子片、氮化硼量子片、二硫化钼量子片等）的普适和规模制备，为系统深入研究二维量子片的全新物理提供了可靠平台，同时为其工业化生产及应用铺平了道路。在此基础上，创新性地将二维材料量子片电化学沉积到多孔氧化铝模板中，成功实现了金-二维材料量子片（包括金-石墨烯量子片、金-氮化硼量子片、金-二硫化钼量子片等）异质纳米棒阵列的可控制备。利用飞秒脉冲激光实验装置，系统测试了所得材料和结构的线性和非线性光学性能。我们在二维量子片-聚甲基丙烯酸甲酯复合薄膜中实现了非线性光学饱和吸收的超高响应和超低功率激发。其中二硫化钼量子片复合薄膜性能最好，其绝对调制深度高达59%，相对调制深度高达89%，与单层（单晶）石墨烯相当，优于之前报道的绝大多数材料；饱和强度低至亚10千瓦/平方厘米（亚1纳焦耳/平方厘米），比之前报道（包括单层石墨烯）降低了1-2个数量级。我们在金多孔周期薄膜-多孔氧化铝模板复合体系中同样实现了三阶非线性光学效应的超高响应和超低功率激发。当激光能量密度为11纳焦耳/平方厘米时，复合体系的相对透射率高达5.57，即非线性光学透过率是线性透过率的5.57倍，表现出极高的非线性饱和吸收响应。而当激光能量密度为0.055纳焦耳/平方厘米时，就已经出现了显著的非线性饱和吸收现象。这种极低的激发功率比已有报道降低了至少1个数量级。非线性光学的超高响应和超低功率激发的同时实现，对于新型非线性光学材料的研发具有重要指导意义。