金属纳米耦合结构的局域表面等离激元调控单分子荧光

In this project, we will construct three-dimension multi-source coupled structures at the nanoscale by systhesizing the rich optical properties of metal nanoparticles and the atom-level manipulation of scanning tunneling microscope (STM). Using our combined system of LT-UHV-STM with single-phonton collectors and detectors, we will expand ways of the plasmonic resonant enhancement in the highly concentrated incident field (from laser or tunneling current) by uniting the characteristics of metal nanoparticles’ surface plasmons and nanocavity plasmons in tunneling junction, to tune the single-molecule fluorescence in the metallic coupled nanoscale structures. We want to explore the physical essence of molecular luminescence and the critical factor to influence molecular optical characters in the nanoenvironment. This project will help us to increase the understanding of resonant coupling, energy transfer, and conversion among electrons, photons and surface plasmons on the scale of nanometers. Also, the prospective results will provide optimization guide for the development of high-quality and tunable molecular photoelectric devices.

本项目融合金属纳米颗粒丰富的光学性质以及扫描隧道显微镜针尖的原子级操纵优势，利用纳米针尖和金属纳米颗粒在纳米尺度构筑三维的多源金属纳米耦合结构；依托低温超高真空扫描隧道显微镜和光学检测技术为一体的复合实验平台，综合金属纳米颗粒表面等离激元和隧道结纳腔等离激元的特性，在激光光场和隧道结局域电场的作用下，拓展局域表面等离激元共振耦合的途径，实现耦合结构中单分子水平的荧光调控；探寻纳米环境中分子体系的发光本质以及影响其光谱特性的关键因素，为深入理解纳米尺度共振耦合、能量转移以及电子、光子、表面等离激元等基本量子之间的转化提供基础的物理信息，为高品质、可调控的分子光电器件的研发和优化提供一定的指导信息。

局域表面等离激元能显著影响近场分子的光学性质，为纳米尺度探索外场与物质的相互作用提供良好的研究平台，对基础科学领域和纳米光电器件的研发都具有重要的研究意义。本项目利用扫描隧道显微镜（STM）的金属针尖、金属纳米颗粒以及针尖操纵纳米颗粒构筑纳腔结构等多种方法，构建了局域表面等离激元纳米结构和荧光分子的耦合体系；实现了STM纳米隧道结、多种纳米颗粒以及颗粒二聚体纳腔等对近场分子荧光性质的调控；时域有限差分、求解密度矩阵运动方程等方法得到的计算模拟结果与实验结果相吻合。项目的研究成果有效拓展了局域表面等离激元调控分子荧光的途径，有助于深入了解纳米尺度光电耦合、能量转移以及基本量子间的转化，并为可调节的分子光电器件的研发和优化提供基础指导和实验依据。

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