基于金属表面等离子体激元的耦合杂化态的超快光谱研究

发布时间：2017-12-14 19:38

  本文关键词：基于金属表面等离子体激元的耦合杂化态的超快光谱研究

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【摘要】：自量子力学诞生以来,人们对微观世界的运动规律的认识不断加深,极大地推动了现代科学和技术的发展。随着实验精度和技术控制能力的不断提高,人们开始探索构筑一些新奇的杂化量子态。基于表面等离子体技术的杂化量子态便是其中一类被广泛关注的新奇量子态,借助其独特的性质有望实现对分子功能的定向光调控。金属表面等离子体可以将光场局域在其表面形成非常强的电磁场,分子和增强的电磁场间可以通过交换光子完成相互作用形成新的分立能级,就如同两个原子轨道耦合形成分子态一样。如何来描述这种新的表面等离子体-分子复合物的光物理性质对理论和实验技术提出了新的挑战。目前绝大多数的研究仍然集中于杂化量子态的制备和稳态检测中,为数不多的超快光谱探测也局限于对典型J-聚集染料的研究中。和稳态测试相比,瞬态光谱中可以反映出很多新结构、新现象,更能直接体现相干耦合的物理本质。针对以上问题,本论文将对强耦合的研究拓展至更为丰富的功能材料体系中,主要采用宽光谱微区泵浦探测技术对金属表面等离子体激元分别与有机激光染料分子、有机太阳能电池中常用的宽吸收谱分子、以及新型钙钛矿材料组成的强耦合杂化体系进行了超快时间分辨光谱探测,对发生在亚皮秒和亚纳秒时间范围内的杂化量子态的产生和演化过程进行了详细分析,取得了以下几方面的研究成果:1、在实验室原有宽光谱飞秒泵浦探测系统的基础上,搭建了宽光谱微区飞秒泵浦探测系统,在保持原有时间分辨100飞秒的同时,将系统的空间分辨率提高到10微米量级,可以满足对微小面积的金属纳米阵列结构的探测。2、制备了金纳米孔阵列结构与磺酰罗丹明101分子的强耦合杂化体系,在稳态透射谱测试中,观测到了劈裂能量为255 me V和188 me V的双重拉比劈裂现象,并从两方面证实了强耦合体系的形成:呈现反交叉特性的杂化态能量色散曲线以及拉比劈裂能量与染料分子吸收值平方根成线性关系。更为重要的是,我们首次采用微区泵浦探测技术对多重耦合杂化体系进行了高能态共振激发探测,瞬态吸收谱中中间、低能耦合杂化态漂白信号的出现,更加直观的证明了多重耦合杂化态的存在。最后,通过对动力学演化过程的比较发现低能耦合杂化态可以被视为能量最低的准束缚激发态,其寿命可以长于非耦合的磺酰罗丹明101分子的激子寿命,是符合非马尔科夫模型的。3、制备了高品质金圆锥形纳米孔阵列结构,并利用其激发的表面等离子体激元组成了与方酸衍生分子的耦合杂化体系。在稳态反射谱测试中获得了高达860 me V的拉比劈裂能量,在我们了解范围内,这是目前利用表面等离子体激元可以获得的最大拉比劈裂值,其对应的辐射波长为1.44微米,已经十分接近可见光波段。在进一步的微区泵浦探测中,我们发现超强耦合下高能耦合杂化态具有非常短的寿命,超出了我们探测系统的分辨率,瞬态吸收谱中并没有高能杂化态出现;低能耦合杂化态则明显出现在瞬态谱中,且其寿命短于非耦合的方酸衍生分子中激子的寿命。通过对不同周期金纳米孔阵列耦合体系中杂化态的寿命分析,可以发现低能杂化态具有较短寿命是耦合体系中表面等离子体激元部分快速弛豫衰减所引起的。这一点也是不同于符合非马尔科夫模型的一般强耦合体系中杂化态演化过程的,也从另一方面说明了超强耦合体系不同于一般强耦合体系,已经进入了一个全新的光与物质相互作用的范围。4、采用离心沉积的方法制备了金纳米孔阵列结构与全无机Cs Pb I3钙钛矿量子点组成的耦合杂化体系。离心沉积的方法克服了旋涂方法中低浓度量子点溶液不易成膜的缺点,可以制备出紧密规则排列的钙钛矿量子点薄膜,为强耦合体系的形成提供了有力保证;随后,我们也通过稳态反射谱的测试证实了体系中强耦合杂化态的存在。同时,我们也制备了铝圆锥形纳米孔阵列结构与MAPb Ix Cl3-x钙钛矿薄膜材料组成的耦合结构。与传统强耦合体系不同的是,这里与表面等离子体激元形成强耦合体系的是自由载流子,而非传统分子材料中的激子。为了进一步证实这种新型强耦合体系的形成,我们在稳态表征的基础上,采用微区泵浦探测技术对体系进行了瞬态光谱测试,在共振激发下,观测到了明显的耦合杂化态漂白信号,且其相较于非耦合钙钛矿薄膜的漂白恢复过程有更短的寿命。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O485

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