物理与材料科学学院在Au等离激元调控TiO2纳米球
非线性光学特性取得进展
近日，广州大学物理与材料科学学院，硅基信息材料与器件集成电路设计广东省高校重点实验室和超快（飞秒）光学实验室在光学领域知名期刊Laser & Photonics Reviews（IF:11，中国科学院一区TOP期刊）上发表论文，研究了Au纳米点作为磁偶极共振诱导的纳米级等离激元对TiO2纳米球非线性光学特性的影响，为构建高效稳定的TiO2杂化纳米光源提供了新的研究思路。
01 研究背景
TiO2纳米球是一种中折射率的纳米颗粒，与Si纳米球等高折射率纳米颗粒一样都可支持磁偶极子共振、电偶极子共振等Mie共振，可以用于制备纳米光源。然而，TiO2是宽间接带隙（3.2 eV）半导体，因此利用近红外（770 nm-800 nm）飞秒激光难以有效激发TiO2纳米球发光。另一方面，研究发现利用扫描隧道电子显微镜尖端在Si晶片上诱导出局域表面等离激元，促进热电子在Si晶片表面的产生和注入，观察到了间接带隙Si晶片的光子发射。受此启发，构建了TiO2/Ti/Au杂化纳米球，利用TiO2纳米球的磁偶极共振诱导Au纳米点，产生磁偶极共振诱导的等离激元，可以实现TiO2杂化纳米球的高效白光辐射。
02 研究内容
在TiO2杂化纳米球中，磁偶极子共振和表面等离子体共振之间的共振耦合是可预期的。如图1a所示， TiO2/Ti/Au杂化纳米球在被飞秒激光激发后，其向散射谱出现了红移，这说明Ti纳米点在飞秒激光的激发下被逐渐氧化成TiO2，而在此过程中贵金属Au纳米点保持其稳定特性。当直径约为351 nm的TiO2/Ti/Au杂化纳米球被波长为785 nm的飞秒激光激发时，能够发出很强的荧光（图1b，绿色插图），并且，其积分发光强度与激光功率的斜率约为2（图1b），说明Au纳米点能够作为稳定的纳米级等离激元。根据数值模拟电场分布图（图1d），当利用波长为785 nm的飞秒激光激发TiO2/Ti/Au杂化纳米球的磁偶极共振时，其内部产生了明显的环形电场分布，Au纳米点在环形电场的作用下极化形成磁偶极诱导的等离激元。因此，通过磁偶极诱导的等离激元促进热电子的产生和注入，实现利用近红外飞秒激光点亮TiO2纳米球。
图1 (a) TiO2/Ti/Au杂化纳米球的后向散射谱。(b)激发波长为785 nm时，TiO2/Ti/Au杂化纳米球的荧光光谱；附图显示了TiO2/Ti/Au杂化纳米球的积分发光强度与入射激光功率的关系；SEM图像表明TiO2/Ti/Au杂化纳米球的直径约为351nm；绿色插图显示的是荧光图像。(c) TiO2/Ti/Au杂化纳米球的数值后向散射谱。(d) 785 nm波长处TiO2/Ti/Au杂化纳米球在XZ平面上的电场数值分布图像。
03 相关研究
上述工作以“TiO2-based hybrid nanoscale light source”为题发表在光学领域知名期刊Laser & Photonics Reviews上。该工作由广州大学独立完成，文章的第一作者是物理电子学专业2020级硕士研究生郭浩民同学，张成云博士和潘书生教授为通讯作者。该团队近年来致力于飞秒激光纳米打印、纳米结构光源、SERS和微纳结构功能器件等方向的研究，相关研究成果发表在Nature Communications等期刊上。在本研究得到国家自然科学基金、超快（飞秒）光学实验室、广州大学“2+5”学科与科研创新平台（新材料新装备新制造）和硅基信息材料与器件集成电路设计实验室的支持。
论文链接： https://doi.org/10.1002/lpor.202300375
