徐红星院士&张顺平ACS Nano：发光Plexciton:利用中等耦合强度区域的等离激元-激子相互作用

【引言】

材料的荧光光谱是分析材料的本征光学属性的重要手段。其中，光与物质间的相互作用是分析和理解发光过程的核心问题。通常，由于其体系尺度的不匹配性，自由空间中的量子辐射体与光的耦合很弱，但是通过引入金属纳米颗粒纳米腔对光进行局域，可以极大地降低这种不匹配性。近年来，金属纳米结构中的等离激元与层状材料中的激子之间的相互作用因为其继承了光和物质两方面的特性而引起了广泛的研究兴趣。比如，复合体系可同时具备来源于其等离激元成分的光谱或空间特性的高可调性，以及来源于其激子部分的强光学非线性或发光特性。当等离激元与激子的耦合处于弱耦合区域时，由于Purcell效应，激子的自发辐射荧光将会被增强，即等离激元增强荧光；而在强耦合区域，将会形成等离激元与激子的混合态，称为plexciton。当耦合的强度处于这两者之间的区域时，即中等耦合强度区域，体系的荧光的辐射将会达到最大。

【成果简介】

近日，武汉大学的徐红星院士和张顺平副教授（共同通讯作者）等报道了在纳米立方体—金属膜系统 (NCOM)中产生的高度局域的等离激元和单层WSe₂中的中性激子与之间的耦合。该体系的暗场散射光谱中出现了Rabi劈裂，且其色散曲线呈现出了anticrossing的特性，这说明等离激元和激子的混合态plexciton已经形成了。更重要的是，在这个体系中，plexciton的自发辐射荧光得到了极大的增强，相较于没有纳米立方的地方，荧光增强达到了1700倍，其中辐射增强贡献了410倍。相应的计算表明，荧光增强一方面来自纳米间隙中等离激元的空间局域性，另一方面来自单层WSe₂中强激子效应导致混合态的局域态密度在WSe₂区域内得到增强，即强激子效应导致真空场的重新分布。而这两种机制的共同作用是体系达到最大荧光发射的原因，充分利用了复合体系处于中等耦合强度区域的优点。此时的荧光增强不再是传统的Plasmon enhanced fluorescence，二是更为广义的Plexciton enhanced fluorescence more than the traditional Purcell effect。进一步的实验证明，改变银纳米立方可以实现对于Rabi劈裂大小和模式体积大小的调控。总的来说，这种高度紧凑的系统可以为深亚波长尺度下的cQED实验提供了室温的测试平台。研究成果以题为“Light-Emitting Plexciton: Exploiting Plasmon-Exciton Interaction in the Intermediate Coupling Regime”发表在国际著名期刊ACS Nano上。共同第一作者为武汉大学高等研究院的博士生孙嘉伟和胡华天。

【图文导读】

图一、NCOM系统的示意图和场强分布
（a） NCOM系统的示意图，包括在超光滑金膜基底上的银纳米立方体，氧化铝、单层WSe₂和银纳米立方表面的PVP将银纳米立方和金膜隔开；

（b）由垂直入射的x偏振平面波激发的NCOM系统的散射光谱；

（c-e）在WSe2层的中心平面处的归一化散射电场的x，y，z分量。

图二、在P-或S-偏振激发下NCOM系统的散射光谱
（a） 由P-（红色）和S-（黑色）偏振光激发的归一化暗场散射光谱，它们之间的差（蓝色）得到了800 nm处的峰；

（b） 计算得到的由P偏振平面波（PW，红线）激发的归一化散射光谱和沿z方向由偶极子激发的归一化吸收光谱（蓝线）。

图三、WSe₂中的X⁰激子与NCOM中的等离激元磁模式之间的耦合

（a） 单层WSe₂隔离的NCOM的暗场散射图像；

（b） 在（a）中标出的单个银纳米立方体的SEM图像；

（c） NCOM和单层WSe₂耦合的暗场散射光谱，氧化铝沉积的范围为10 nm至32 nm；

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

（e） 耦合强度g与银纳米立方体上的氧化铝沉积厚度的关系。

图四、复合系统的光致发光（PL）性质

（a） 单层WSe₂隔离的NCOM的PL成像；

（b） 含有（红色）和不含（黑色）银纳米立方体的单层WSe₂的PL光谱；

（c） PL增强与等离激元共振峰位的关系。

图五、计算NCOM系统中的LDOS，分析PL增强的起源
（a） 没有WSe₂层时的NCOM在x或y方向上的LDOS分量，波长在746.4 nm；

（b） 在插图所示红点处，不同约化振子强度f下单层WSe₂隔离的NCOM的LDOS谱；

（c） 不同的约化振子强度的f对应的银纳米立方体内的归一化吸收谱；

（d） 能量在WSe₂和其他部分中的百分比与约化振子强度f的关系。

图六、复合体系的性质随立方体尺寸变化的规律
（a） 从暗场散射光谱中拟合的Rabi劈裂大小与9个不同大小的银纳米立方体的尺寸的关系；

（b） NCOM体系的模式体积与银纳米立方边长的关系。

【小结】

该工作研究了NCOM系统中WSe₂X⁰激子与纳米间隙中的等离激元磁模式之间的耦合。通过测量单个NCOM中的plexciton的色散曲线，证明了此系统产生了36.7 meV的Rabi劈裂。劈裂的大小与激子的线宽相当，但小于等离激元的线宽，这意味着等离激元和激子之间的耦合中等耦合强度区域。更重要的是，WSe₂X⁰激子的光致发光增强了1700倍，这其中包括了410倍的辐射增强。如果混合系统进入严格的弱耦合或强耦合状态，则这种极大的辐射增强将会减弱，这正是处于中等耦合强度区域的独特之处。此外，通过减小该混合体系的尺寸可以增加plexciton的局域性，这将有利于对于plexciton之间的相互作用，可促进plexciton凝聚和集成的plexciton器件的研究。

通讯作者简介

徐红星院士：江苏灌云县人，现任武汉大学物理科学与技术学院院长，武汉大学高等研究院副院长。1992年毕业于北京大学技术物理系，获学士学位；2002年毕业于瑞典查尔莫斯理工大学应用物理系，获博士学位。2002年至2004年任瑞典隆德大学固体物理系助理教授。2005年入选中科院百人计划，任物理研究所研究员；2006年至2008年任中科院物理研究所表面物理国家重点实验室副主任；2009年至2014年任中科院物理研究所纳米物理与器件实验室主任。2012年6月任武汉大学纳米科学与技术研究中心主任；2014年任武汉大学物理科学与技术学院教授、副院长，武汉大学高等研究院副院长；2016年任武汉大学物理科学与技术学院院长。2006年获国家杰出青年科学基金资助，2008年和2014年分别任国家重大科学研究计划项目首席科学家，2010年获中国青年滚球体育 奖，2013年获中国物理学会饶毓泰物理奖，同年获得国务院政府特殊津贴，2014年任长江学者奖励计划特聘教授，2016年入选万人计划滚球体育 创新领军人才。2017年11月当选中国科学院院士。长期从事等离激元光子学、纳米光学、单分子光谱和纳米光芯片等前沿领域的研究，做出了开创性和系统性的工作。在国际著名科学杂志发表论文180余篇，被SCI杂志引用12000余次，单篇引用超过100次的33篇，h因子54。其中关于单分子表面增强拉曼光谱的研究有两篇论文分别被引用1660余次（Physical Review Letters 1999, 83, 4357）和1190余次（Physical Review E 2000, 62, 4318，被选为该杂志创刊以来的里程碑论文）。他已作国际会议邀请报告60余次；作为会议主席组织了十余次著名国际学术会议；曾任Nanoscale、Optics Express副主编；2014-2017年连续入选Elsevier发布的中国高被引学者榜；受邀出版专著Nanophotonics: Manipulating Light with Plasmons。

课题组网站：http://np.whu.edu.cn

张顺平副教授：武汉大学物理与科学技术学院副教授，武汉大学珞珈青年学者（2016）。2008年毕业于中山大学物理科学与工程技术学院，获学士学位；2012年12月毕业于中国科学院物理研究所，获博士学位。研究兴趣包括等离激元光子学、微纳尺度上光与物质相互作用、有源与无源纳米光电器件、增强光谱等领域。在低维金属纳米结构的表面等离激元、亚波长光学波导等方面取得一些重要原创性工作。主持国家自然科学基金委面上项目1项、青年项目1项、中国博士后基金2项，参与973项目1项、国家重点研发计划项目1项。以第一或通讯作者在Phys. Rev. Lett.、Nat. Commun.、Nano Lett.(4篇)、Light: Sci.& Appl.、ACS Nano(2篇)等期刊共发表论文10余篇，SCI被引1800余次（单篇最高被引300余次）。

文献链接：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组小胖纸编译。

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