徐紅星院士&張順平ACS Nano：發光Plexciton:利用中等耦合強度區域的等離激元-激子相互作用

【引言】

材料的熒光光譜是分析材料的本征光學屬性的重要手段。其中，光與物質間的相互作用是分析和理解發光過程的核心問題。通常，由于其體系尺度的不匹配性，自由空間中的量子輻射體與光的耦合很弱，但是通過引入金屬納米顆粒納米腔對光進行局域，可以極大地降低這種不匹配性。近年來，金屬納米結構中的等離激元與層狀材料中的激子之間的相互作用因為其繼承了光和物質兩方面的特性而引起了廣泛的研究興趣。比如，復合體系可同時具備來源于其等離激元成分的光譜或空間特性的高可調性，以及來源于其激子部分的強光學非線性或發光特性。當等離激元與激子的耦合處于弱耦合區域時，由于Purcell效應，激子的自發輻射熒光將會被增強，即等離激元增強熒光；而在強耦合區域，將會形成等離激元與激子的混合態，稱為plexciton。當耦合的強度處于這兩者之間的區域時，即中等耦合強度區域，體系的熒光的輻射將會達到最大。

【成果簡介】

近日，武漢大學的徐紅星院士和張順平副教授（共同通訊作者）等報道了在納米立方體—金屬膜系統 (NCOM)中產生的高度局域的等離激元和單層WSe₂中的中性激子與之間的耦合。該體系的暗場散射光譜中出現了Rabi劈裂，且其色散曲線呈現出了anticrossing的特性，這說明等離激元和激子的混合態plexciton已經形成了。更重要的是，在這個體系中，plexciton的自發輻射熒光得到了極大的增強，相較于沒有納米立方的地方，熒光增強達到了1700倍，其中輻射增強貢獻了410倍。相應的計算表明，熒光增強一方面來自納米間隙中等離激元的空間局域性，另一方面來自單層WSe₂中強激子效應導致混合態的局域態密度在WSe₂區域內得到增強，即強激子效應導致真空場的重新分布。而這兩種機制的共同作用是體系達到最大熒光發射的原因，充分利用了復合體系處于中等耦合強度區域的優點。此時的熒光增強不再是傳統的Plasmon enhanced fluorescence，二是更為廣義的Plexciton enhanced fluorescence more than the traditional Purcell effect。進一步的實驗證明，改變銀納米立方可以實現對于Rabi劈裂大小和模式體積大小的調控。總的來說，這種高度緊湊的系統可以為深亞波長尺度下的cQED實驗提供了室溫的測試平臺。研究成果以題為“Light-Emitting Plexciton: Exploiting Plasmon-Exciton Interaction in the Intermediate Coupling Regime”發表在國際著名期刊ACS Nano上。共同第一作者為武漢大學高等研究院的博士生孫嘉偉和胡華天。

【圖文導讀】

圖一、NCOM系統的示意圖和場強分布
（a） NCOM系統的示意圖，包括在超光滑金膜基底上的銀納米立方體，氧化鋁、單層WSe₂和銀納米立方表面的PVP將銀納米立方和金膜隔開；

（b）由垂直入射的x偏振平面波激發的NCOM系統的散射光譜；

（c-e）在WSe2層的中心平面處的歸一化散射電場的x，y，z分量。

圖二、在P-或S-偏振激發下NCOM系統的散射光譜
（a） 由P-（紅色）和S-（黑色）偏振光激發的歸一化暗場散射光譜，它們之間的差（藍色）得到了800 nm處的峰；

（b） 計算得到的由P偏振平面波（PW，紅線）激發的歸一化散射光譜和沿z方向由偶極子激發的歸一化吸收光譜（藍線）。

圖三、WSe₂中的X⁰激子與NCOM中的等離激元磁模式之間的耦合

（a） 單層WSe₂隔離的NCOM的暗場散射圖像；

（b） 在（a）中標出的單個銀納米立方體的SEM圖像；

（c） NCOM和單層WSe₂耦合的暗場散射光譜，氧化鋁沉積的范圍為10 nm至32 nm；

（d） 上plexciton分支（UPB）和下plexciton分支（LPB）的色散曲線；

（e） 耦合強度g與銀納米立方體上的氧化鋁沉積厚度的關系。

圖四、復合系統的光致發光（PL）性質

（a） 單層WSe₂隔離的NCOM的PL成像；

（b） 含有（紅色）和不含（黑色）銀納米立方體的單層WSe₂的PL光譜；

（c） PL增強與等離激元共振峰位的關系。

圖五、計算NCOM系統中的LDOS，分析PL增強的起源
（a） 沒有WSe₂層時的NCOM在x或y方向上的LDOS分量，波長在746.4 nm；

（b） 在插圖所示紅點處，不同約化振子強度f下單層WSe₂隔離的NCOM的LDOS譜；

（c） 不同的約化振子強度的f對應的銀納米立方體內的歸一化吸收譜；

（d） 能量在WSe₂和其他部分中的百分比與約化振子強度f的關系。

圖六、復合體系的性質隨立方體尺寸變化的規律
（a） 從暗場散射光譜中擬合的Rabi劈裂大小與9個不同大小的銀納米立方體的尺寸的關系；

（b） NCOM體系的模式體積與銀納米立方邊長的關系。

【小結】

該工作研究了NCOM系統中WSe₂ X⁰激子與納米間隙中的等離激元磁模式之間的耦合。通過測量單個NCOM中的plexciton的色散曲線，證明了此系統產生了36.7 meV的Rabi劈裂。劈裂的大小與激子的線寬相當，但小于等離激元的線寬，這意味著等離激元和激子之間的耦合中等耦合強度區域。更重要的是，WSe₂ X⁰激子的光致發光增強了1700倍，這其中包括了410倍的輻射增強。如果混合系統進入嚴格的弱耦合或強耦合狀態，則這種極大的輻射增強將會減弱，這正是處于中等耦合強度區域的獨特之處。此外，通過減小該混合體系的尺寸可以增加plexciton的局域性，這將有利于對于plexciton之間的相互作用，可促進plexciton凝聚和集成的plexciton器件的研究。

通訊作者簡介

徐紅星院士： 江蘇灌云縣人，現任武漢大學物理科學與技術學院院長，武漢大學高等研究院副院長。1992年畢業于北京大學技術物理系，獲學士學位；2002年畢業于瑞典查爾莫斯理工大學應用物理系，獲博士學位。2002年至2004年任瑞典隆德大學固體物理系助理教授。2005年入選中科院百人計劃，任物理研究所研究員；2006年至2008年任中科院物理研究所表面物理國家重點實驗室副主任；2009年至2014年任中科院物理研究所納米物理與器件實驗室主任。2012年6月任武漢大學納米科學與技術研究中心主任；2014年任武漢大學物理科學與技術學院教授、副院長，武漢大學高等研究院副院長；2016年任武漢大學物理科學與技術學院院長。2006年獲國家杰出青年科學基金資助，2008年和2014年分別任國家重大科學研究計劃項目首席科學家，2010年獲中國青年科技獎，2013年獲中國物理學會饒毓泰物理獎，同年獲得國務院政府特殊津貼，2014年任長江學者獎勵計劃特聘教授，2016年入選萬人計劃科技創新領軍人才。2017年11月當選中國科學院院士。長期從事等離激元光子學、納米光學、單分子光譜和納米光芯片等前沿領域的研究，做出了開創性和系統性的工作。在國際著名科學雜志發表論文180余篇，被SCI雜志引用12000余次，單篇引用超過100次的33篇，h因子54。其中關于單分子表面增強拉曼光譜的研究有兩篇論文分別被引用1660余次（Physical Review Letters 1999, 83, 4357）和1190余次（Physical Review E 2000, 62, 4318，被選為該雜志創刊以來的里程碑論文）。他已作國際會議邀請報告60余次；作為會議主席組織了十余次著名國際學術會議；曾任Nanoscale、Optics Express副主編；2014-2017年連續入選Elsevier發布的中國高被引學者榜；受邀出版專著Nanophotonics: Manipulating Light with Plasmons。

課題組網站：http://np.whu.edu.cn

張順平副教授：武漢大學物理與科學技術學院副教授，武漢大學珞珈青年學者（2016）。2008年畢業于中山大學物理科學與工程技術學院，獲學士學位；2012年12月畢業于中國科學院物理研究所，獲博士學位。研究興趣包括等離激元光子學、微納尺度上光與物質相互作用、有源與無源納米光電器件、增強光譜等領域。在低維金屬納米結構的表面等離激元、亞波長光學波導等方面取得一些重要原創性工作。主持國家自然科學基金委面上項目1項、青年項目1項、中國博士后基金2項，參與973項目1項、國家重點研發計劃項目1項。以第一或通訊作者在Phys. Rev. Lett.、Nat. Commun.、Nano Lett.(4篇)、Light: Sci.& Appl.、ACS Nano(2篇)等期刊共發表論文10余篇，SCI被引1800余次（單篇最高被引300余次）。

文獻鏈接：Light-Emitting Plexciton: Exploiting Plasmon-Exciton Interaction in the Intermediate Coupling Regime（ACS Nano, 2018, DOI:10.1021/acsnano.8b05880）

本文由材料人生物材料組小胖紙編譯。

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