表面等离激元共振腔及其应用研究

未来信息技术迫切需要速度更快、容量更大、体积更小的处理系统，利用表面等离激元（SPP）将光场局域在纳米金属结构中，在尺度上突破光学衍射极限，在速度上发挥光的并行高速的优势，可望实现新型纳米激光器，高速光波导、光调制器、光传感器、光探测器等元器件。高质量共振腔是激光器等光子学元器件必不可少的组成部分。如何在微米甚至纳米尺度下制备性能优异的SPP共振腔，实现SPP的高反射，是目前面临的一个重大挑战。本项目选择具有重大应用前景的SPP回音壁模式微腔、SPP与法布里-珀罗光学谐振腔的结合和全金属纳米SPP共振腔进行全面系统的研究，发展新的高精度制备技术，揭示SPP共振的新机理和效应，优化SPP共振腔的结构，实现SPP原型器件的性能提升和新功能微纳光子学元器件。

本项目重点研究了具有重大应用前景的回音壁模式光学微腔、全金属纳米表面等离激元共振腔和法布里-珀罗光学谐振腔及其应用，发展新的高精度制备技术，揭示共振的新机理和效应，通过优化共振腔的结构实现了原型器件的性能提升和新功能微纳光子学元器件，同时开展了纳米介孔DNA测序、柔性的新型平面光伏器件和超级电容器、光自旋霍尔效应等研究，取得了重要进展，为发展速度更快、容量更大、体积更小的处理系统奠定了良好基础。在回音壁模式光学微腔及其与表面等离激元共振的耦合方面，发展了制备技术，实现了同时具有超高品质因子和远场单向性发射，提出利用杂化模式增强光学回音壁模式与表面等离激元共振的耦合，在液体环境中利用纳米光纤阵列实现单个纳米颗粒的检测。在金属纳米腔的表面等离激元共振方面，实现了表面高度平滑、陡直度好、深宽比大的全金属纳米腔结构，揭示了金属纳米微腔中表面等离激元的共振物理机理，在金属银膜制备的谐振槽纳米天线中发现了光学频率内的表面等离基元辐射。在量子阱材料的生长和利用法布里-珀罗腔效应提高器件性能方面，实现了表面原子级平整无裂纹的量子阱生长并用于红外探测器，利用新型纳米结构设计消除极化场影响，提高多量子阱器件质量，实现了3-5微米大气窗口红外波段探测器件，实现了高质量氮化铟基材料的生长利用表面离子液体栅调制表面电子的自旋轨道耦合。在纳米介孔DNA测序方面，发展了一套精确定点转移、可控制备二维超薄材料纳米孔器件的方法，成功转移并实现了利用高质量双层氮化硼纳米孔对DNA的高灵敏度单分子探测，创新性的引入压强到纳米孔中来有效减慢DNA分子穿孔速度，对纳米孔表面进行修饰大大提高了对单链DNA探测成功率。提出一种采用半导体ZnO纳米线阵列作为器件纳米基元，可同时实现透明和柔性的新型平面光伏器件结构，采用三明治结构实现柔性超级电容器。观察到纳米量级光自旋霍尔效应的新现象，统一解释了界面光束位移和偏折的六种情况。. 在Nature Nanotechnology, Nano Letters, Advanced Materials等期刊发表SCI论文60篇。项目组成员获得国家杰出青年基金，被聘为长江教授。