液态金属纳米粒子的表面等离子和非线性光学性质的研究

Gallium (Ga) is a safe and nontoxic metal and it can be liquid at room temperature. Ga nanoparticles exhibit a significant supercooling phenomenon and possess a high boiling point. Therefore, they are very suitable for investigating the physical properties and device applications of liquid-metal nanoparticles.The main research contents of the project include: (1) the preparation and characterization of Ga nanoparticles; (2) the linear optical properties of Ga nanoparticles; (3) the interaction between Ga nanoparticles and thin metal films; (4) the phase change of Ga nanoparticles and its influence on their linear and nonlinear optical properties; (5) the nonlinear optical properties and their applications of Ga nanoparticles. The objective of the project is to understand the scattering properties of Ga nanoparticles, mastering the technique of fabricating Ga nanospheres of different sizes by using femtosecond laser ablation and sputtering/evaporation, experimentally characterizing the scattering spectra of Ga nanoparticles and deriving the complex refractive index of liquid Ga in the ultraviolet to near infrared spectral region, figuring out the influence of thin metal films and phase change on the linear and nonlinear optical properties of Ga nanoparticles, revealing the physical mechanism for the second harmonic generation and hot luminescence of Ga nanoparticles, and exploring the potential applications of Ga nanoparticles in nanodisplay, harmonic generation, and supercontinuum white light source.

镓是一种安全、无毒且在常温下可以呈现液态的金属。镓纳米粒子不仅具有显著的过冷现象，而且具有很高的沸点，非常适合研究液态金属纳米粒子物理性质和器件应用。本项目的主要研究内容包括：（1）球形和非球形镓纳米粒子的制备和表征；（2）镓纳米球/颗粒的线性光学性质；（3）镓纳米球/颗粒与金属薄膜的表面等离子相互作用；（4）镓纳米球/颗粒的相变及其对线性/非线性光学性质的影响；（5）镓纳米球/颗粒的非线性光学性质及其应用。本项目的研究目标是了解镓纳米粒子的散射特性，掌握利用飞秒激光烧蚀和溅射/蒸镀等技术制备不同尺寸镓纳米粒子的方法，实验测量镓纳米粒子的散射谱并导出液态镓在紫外至近红外波段的复折射率，弄清金属薄膜以及液-固和固-液相变对镓纳米粒子线性/非线性光学性质的影响，揭示镓纳米粒子在飞秒激光脉冲激发下产生二次谐波以及热荧光的物理机制，探索镓纳米粒子在纳米显示、谐波产生和超连续白光光源中的潜在应用。

镓（Ga）是一种安全、无毒且在常温下呈现液态的金属。镓纳米颗粒不仅具有显著的过冷现象，而且具有很高的沸点，非常适合研究液态金属纳米颗粒物理性质和器件应用。本项目的主要研究内容包括：（1）球形和非球形镓纳米颗粒的制备和表征；（2）镓纳米颗粒的线性光学性质；（3）镓纳米颗粒与金属薄膜的表面等离子相互作用；（4）镓纳米颗粒的相变及其对线性/非线性光学性质的影响；（5）镓纳米颗粒的非线性光学性质及其应用。我们采用飞秒激光烧蚀的方法成功地制备了不同尺寸的球形Ga/Ga2O3纳米颗粒，颗粒内部的Ga呈现液态。我们利用暗场显微镜研究了玻片上Ga纳米颗粒的散射性质，在散射谱中发现两个散射峰，一个与纳米颗粒的尺寸无关，一个随着尺寸增大发生红移和展宽。对于分散在Au/Ag膜上的Ga纳米颗粒，可以采用表面等离子激元波进行激发，观察到光谱明显变窄的现象，导致色度高度饱和的散射光。此外，在银膜衬底上的纳米颗粒，在其后向散射谱中形成了法诺共振，其共振波长可以通过改变纳米颗粒和银膜的间隙或者改变纳米颗粒的尺寸进行调控。在法诺共振波长处纳米颗粒的电场和磁场都被显著增强。采用飞秒激光激发银膜上的纳米颗粒，可以获得有效的宽带热电子荧光发射，而且在法诺共振波长处获得显著增强。我们采用飞秒激光诱导氧化法制备了Ga/Ga2O3杂化纳米颗粒，由于多光子吸收增强和有效电子转移，当激发强度超过某个阈值时，出现了荧光爆亮，Ga/Ga2O3杂化纳米颗粒的量子效率达到1.3%，比液态G纳米粒子的量子效率高出近两个数量级，其中肖特基势垒和等离子激元热点对提高量子效率起到至关重要的作用。我们利用飞秒激光将密堆积的Ga纳米岛诱导生成高效发光的Ga/Ga2O3纳米颗粒，实现了高质量的光信息存储。作为对照，我们还研究了Au, Si和钙钛矿纳米颗粒的光学性质及其应用。我们的研究结果表明，液态Ga纳米颗粒以及Ga/Ga2O3杂化纳米颗粒在纳米彩色显示，纳米宽带白光光源，以及高密度光信息存储中具有广阔的应用前景。