二维光子晶体-金属纳米天线复合微腔的耦合共振机理及光谱增强技术研究

Considering the scientific evolution tendency and spectral application requirement on photonic crystals and metallic surface plasmonic integrated devices used for tuning of photonic states and nonlinear optical study in mircro-nano scale, in this project, systematic studies will be focused on a new physical model, i.e., the two-dimensional photonic crystal/metallic nano antenna hybrid microcavity. More specifically, theoretical studies will be conducted to explore the coupling process of localized surface plasmon resonance and Bragg scattering resonance as well as its influences on the characteristic parameters of microcavity, to investigate the nonlinear and thermodynamics responses of hybrid microcavity, to solve the critical scientific issue on the coupling resonance mechanism of hybrid microcavity, and to develop new devices used for Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) and fluorescence modulation. Experimental studies will be conducted to explore the integrated fabrication techniques on high-precision hybrid microcavities by comprehensively using several micro-nano fabrication methods (such as EBL, RIE, FIB, and chemical self-assembly), as well as to test a series of spectral performance of different hybrid microcavities. These studies will provide important reference basis to guide the design of photonic crystal/metallic surface plasmon hybrid platform and accelerate its applications in SERS, fluorescence modulation, and other spectral techniques. In the long term, this project will finally serve the national economic development and promote the progress of techniques in life science, displays and lighting, and other related areas.

针对光子晶体-金属表面等离子体集成器件在微纳尺度上实现光子调控与非线性光学研究的科学发展趋势与光谱应用需求，本项目围绕“二维光子晶体-金属纳米天线复合微腔”这一全新物理模型展开系统研究。具体而言，本项目将从理论上探寻局域表面等离子共振与布拉格散射共振的耦合过程及其对微腔特性参数的影响，研究复合微腔的非线性和热力学响应特征，有效解决“复合微腔耦合共振机理”这一关键科学问题，开发并优化用于表面增强拉曼散射和荧光调制应用的器件结构；从实验上综合运用电子束曝光、反应离子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、化学自组装等微纳加工手段来建立高精度复合微腔样品的集成制备工艺体系，针对不同的复合微腔样品完成系列的光谱性能测试。本项目将为指导光子晶体－金属表面等离子体混合平台的设计并推动其在表面增强拉曼散射、荧光调制等光谱技术上的应用提供重要的参考依据，最终服务于国民经济发展，促进生命科学、显示照明等相关领域的技术进步。

近年来，光子晶体-金属表面等离激元复合结构在表面增强拉曼散射（SERS）和荧光调制应用上的研究受到了广泛关注并取得了重要进展，但是目前依然存在一些关键性的科学和技术问题亟待探索与解决。在此背景下，本项目理论上研究了金属纳米天线与二维光子晶体复合结构的耦合共振机理，设计开发了多种用于SERS和荧光调制的复合结构方案，实验上完成了复合结构的制备并验证了光谱增强性能，主要研究结果包括：（1）二维光子晶体微腔与金属纳米粒子之间的耦合属于弱耦合，其耦合电场与各自电场的乘积成正比，耦合系数与共振峰失谐程度之间满足高斯分布。对于光子-等离激元-激子耦合共振模型，二维光子晶体微腔与金属纳米粒子之间的弱耦合可以显著增强等离激元和激子之间的强耦合效应，谱线的拉比劈裂“变宽”。（2）设计得到了多种用于SERS和荧光增强的二维光子晶体-金属纳米天线复合结构方案。金属纳米粒子放置于二维光子晶体微腔表面时可用于SERS增强；金属纳米粒子放置于二维光子晶体微腔狭缝内部或二维光子晶体微腔中制备金纳米平行狭缝可应用于荧光增强；手性金属纳米结构放入二维光子晶体微腔中可用于圆偏振光SERS；基于二维光子晶体-金属纳米天线复合结构的平面波导相干调控特性，可以在同一SERS增强基底上实现多元SERS检测和不同位置的荧光增强调控。（3）实验上验证了二维光子晶体-金属纳米粒子复合微腔可用于SERS增强；验证了光子晶体微球-金属纳米粒子复合结构可用于SERS和荧光选择性增强；验证了反蛋白石光子晶体微球与金属纳米核壳复合结构可用于SERS增强和生物分子检测；验证了光子晶体-银膜复合结构可用于提高TERS增强特性；验证了SERS中的金属纳米天线荧光背景信号是热电子弛豫和表面等离激元能量转换的共同作用结果。本项目的研究成果可为指导光子晶体-金属表面等离激元复合结构的设计并推动其在SERS和荧光调制等光谱技术上的应用提供重要的科学依据。