量子点与金属纳米线等离激元的相互作用

Metal nanowires can support propagating surface plasmons and tightly confine the light around the nanowire to realize the light guiding beyond the diffraction limit. Meanwhile, the local electromagnetic field enhancement of the nanowire can enhance the coupling efficiency of light and matter (such as semiconductor quantum dots). Therefore, the studies to the coupling between quantum dots and metal nanowires are important not only for fundamental researches, but also for potential applications in nanophtonic devices and quantum devices. However, it is a challenging task to experimentally study and manipulate the coupling between single quantum dot and metal nanowire. Under the support of the NSFC foundation for young researchers, we have acquired the techniques for studying the coupling between quantum dots and metal nanostructures. In this project, we will focus on the coupled system of single quantum dot and metal nanowire. The main research topics include: studying the excitation of surface plasmons on metal nanowire by single quantum dot, the factors influencing the excitation efficiency and the mechanism; studying how metal nanoantennas influence the quantum dot-nanowire coupling; resolving the different coupling of a few quantum dots within diffraction limit with single metal nanowire; studying the propagation properties of singe surface plasmons in branched metal nanowire structures.

金属纳米线可以支持传播的表面等离激元，把光束缚在纳米线的周围，实现突破衍射极限的光信号传输；同时，金属纳米线的局域电磁场增强效应也可以提高光与物质（例如半导体量子点）相互作用的效率。因此，对半导体量子点与金属纳米线耦合体系的深入研究不仅具有重要的科学意义，也将在纳光子和量子器件方面具有重要的潜在应用前景。但在实验上对单个量子点和金属纳米线的耦合进行研究和操控非常具有挑战性。在青年科学基金项目的资助下，我们已经掌握了研究量子点和金属纳米结构等离激元相互作用的实验技术。在本项目中，我们将重点研究单个量子点和金属纳米线的耦合作用，主要包括：研究单个量子点激发金属纳米线上单个表面等离激元的效率、影响因素和机制；研究金属纳米天线对量子点激发等离激元效率的影响及其机理；实现对衍射极限内的少数几个量子点分别激发等离激元的效率的判别；研究单个表面等离激元在纳米线分支结构中的传播特性。

金属纳米线可以支持传播的表面等离激元，把光束缚在纳米线的周围，实现突破衍射极限的光信号传输；同时，金属纳米线的局域电磁场增强效应也可以提高光与物质（例如半导体量子点）相互作用的效率。因此，对半导体量子点与金属纳米线耦合体系的深入研究不仅具有重要的科学意义，也将在纳光子和量子器件方面具有重要的潜在应用前景。本项目主要研究了量子点和金属纳米线的相互作用，以及利用该相互作用探测纳米线上传播的表面等离激元的电场分布。在实验上研究了两个量子点和银纳米线相互作用的体系，实现了对两个量子点产生的表面等离激元的分辨；在单个量子点和银纳米线耦合体系中，从实验上确定出量子点激发表面等离激元的量子效率；利用金属纳米线上传播的表面等离激元以及量子点激子与金属纳米线表面等离激元的相互作用，实现了单个量子点荧光的远程激发和远程探测；利用量子点对表面等离激元电场分布进行成像，发现了银纳米线-银薄膜复合体系中周期性的非衍射的表面等离激元场分布，通过对结构参数的调控实现了对等离激元传播方向的调控；利用量子点荧光成像技术，发现了结构对称性破缺的银纳米线中的表面等离激元模式转换。这些研究结果对于理解和调控表面等离激元和纳米发光体的相互作用、设计纳米等离激元光学器件等具有重要意义。