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 杨龙坤          讲师


 

所属学科

原子与分子物理

 

研究方向

基于量子表面等离激元的纳米光调控和传感;非线性表面增强拉曼

 

招生方向

原子分子物理、凝聚态物理

 

联系方式

lkyang@cnu.edu.cn

 

 

 

 

 

 

个人简介

   

  杨龙坤,博士。2016年毕业于香港科技大学。目前从事纳米光学领域的研究工作,主要关注量子和非线性表面等离激元的光学特性。主要研究工作包括:1.纳米表面等离激元方向:关于量子纳米天线、表面增强拉曼基底以及表面等离激元光学传感器等工作;2.非线性表面增强拉曼方向:研究分子双光子、三光子激发态以及金银纳米结构的非线性表面等离激元等。相关研究成果发表在Advanced Materials, ACS Nano,Optics Express, Plasmonics等知名国际期刊上,并被Advanced Science News, X-MOL等国内外科技媒体推荐和报道。目前主持国家自然科学基金青年项目1项,参与国家自然科学基金3项。

   

研究方向

   

  1. 基于量子表面等离激元的纳米光调控和传感

图1. (a)局域表面等离激元共振示意图; (b)耦合表面等离激元量子遂穿示意图。

  贵金属纳米天线的表面等离激元共振为纳米尺度上的光调控提供了有效手段。在经典电磁理论框架下,纳米天线的局域电磁场随着间隙的减小而增大,同时体系的共振频率也将持续红移。然而,当颗粒间隙减小至亚纳米区域时,表面等离激元电荷的量子隧穿效应、金属表面电子云间的重叠导致的非局域效应将使纳米天线的光学性质偏离经典模型的预测。表面等离激元量子效应为纳米尺度光调控提供了新的物理机制,使表面等离激元研究进入到量子范畴。我们利用蒸发毛细力作用成功组装了亚纳米间隙的颗粒天线,并结合电镜—暗场校准技术观测到单个量子纳米天线的发射退偏现象,为构建量子纳米天线提供了实验和理论基础。成果发表在ACS Nano 10, 1580, 2016上,并受到X-MOL科技媒体的报道。

   

  2. 非线性表面增强拉曼

  a. 利用表面增强共振超拉曼研究四极分子的双光子激发态:

  在强激光电场下,光与物质的相互作用将产生非线性效应,例如双光子,甚至三光子吸收。研究染料分子的双光子激发态,对发展其在三维生物成像、光动态诊疗、激光功率限制器等领域的应用具有重要意义。共振超拉曼光谱(RHRS)为偶极染料分子的双光子态研究提供了有效的手段。然而,对于具有高对称性的四极分子来说,它们的双光子态往往是双光子跃迁允许单光子跃迁禁阻的,所以无法用RHRS来研究这类分子的双光子态。表面增强共振超拉曼(SERHRS)不仅可以极大增强分子的超拉曼信号,而且可以降低吸附在金属表面分子的对称性,从而使原来双光子允许单光子禁阻的跃迁态变为双光子单光子均允许。通过研究SERHRS强度随激发波长的变化,分析出分子的双光子激发态。同时获得表面增强和分子共振增强的超拉曼信号通常可达约10-9 M的检测灵敏度,对发展基于分子超拉曼信号的双光子成像技术具有重要意义。

  b. 利用三光子表面增强共振超拉曼(3PE-SERHRS)研究分子的三光子跃迁:

  由于二阶超极化率的限制,相对于双光子激发超拉曼,人们对三光子激发超拉曼的实验报道非常少见。我们通过调节银溶胶的聚集程度使其在整个可见和红外区域均有近场增强,为观测3PE-SERHRS提供了可能。同时,进一步研究了3PE-SERHRS强度对激发波长的依赖性,得到了分子的三光子跃迁共振态。我们推测由于金属颗粒的表面吸附作用可以使原来单光子允许双光子禁阻的态变为单光子双光子允许,从而使该态可以作为三光子跃迁的中间态,实现双共振的三光子跃迁(intermediate state resonance enhancement)。

图2. 根据分子在银颗粒表面的吸附取向,分子的对称度将由原来的高对称点群降低为相应的低对称子群。在这个过程中,原来双光子允许单光子禁阻的跃迁将变为双光子单光子均允许,原来双光子禁阻单光子允许的跃迁也将变为单光子双光子允许。在此基础上,我们研究了一系列四极分子的双光子激发和三光子激发表面增强共振超拉曼。

   

科研成果

   

  1. Yang, L. K.; Li, P.; Li, Z. P.* Plasmonic polarization beam splitting based on single silver nanowire, Opt. Express, 2019, 27(4): 3851-3860.

  2. Li, P.; Pan, D.; Yang, L. K.; Wei, H.; He, S. L.; Xu, H. X.; Li, Z. P.* Silver nano-needles: focused optical field induced solution synthesis and application in remote-excitation nanofocusing SERS, Nanoscale, 2019, 11: 2153-2161.

  3. Yang, L. K.; Li, P.; Wang, H. C.; Li, Z. P.* Surface plasmon polariton waveguides with subwavelength confinement, Chin. Phys. B, 2018, 27(9): 094216.

  4. Yang, L. K.; Li, P.; Li, Z. P.* Emitting-polarization of surface plasmons coupling in metallic nanoantennas, J. Opt., 2018, 20(1): 014002.

  5. Yan, W.#; Yang, L. K.#; Chen, J. N.; Wu, Y. Q.; Wang, P. J.; Li, Z. P.* In Situ Two-Step Photoreduced SERS Materials for On-Chip Single-Molecule Spectroscopy with High Reproducibility, Adv. Mater., 2017, 29(36): 1702893. (共同第一作者,一区,IF=19.7, 被选为扉页文章, Advanced Science News报道工作)

图3. (a) 利用二次光还原法在微流沟道中制备高品质SERS基底的标准流程;(b) 二次光照前后SERS基底表面形貌的比较;

(c) 10-13 M下,R6G分子的SERS检测重复率;(d) 二元分子统计实验证实10-13 M下的单分子检测。

  基于微流芯片的单分子光谱技术在材料科学,分析化学和生物诊断方面具有重要的实际意义。近几十年来,表面增强拉曼散射(SERS)被广泛接受为探测微弱单分子光谱信号的可行方法。将微流芯片技术与SERS结合并进一步将检测极限推向单分子量级,是学术界一直努力的方向。然而,受制于SERS材料重复性低、易受干扰等问题,以及化学反应物或分析物吸附导致的芯片“记忆效应”,使进一步提高SERS微流控芯片的检测灵敏度十分困难。 针对此问题,本工作利用二次光还原效应提出一种直接在微流沟道中制备高增强SERS基底的方法。该方法制得的高聚集度芯片SERS基底不仅克服了常规SERS材料重复性低、易受干扰等问题,而且消除了由化学反应物和分析物吸附导致的芯片“记忆效应”,进一步提高了SERS芯片的检测灵敏度。通过对不同类型分子的研究,我们发现该SERS芯片的检测灵敏度可达单分子水平(10-13 M),单分子检测重复率高达50%。该成果对推动超灵敏光谱检测的芯片化以及定量化SERS有重要意义。

   

  6. Yang, L. K.; Wang, H.; Fang, Y.; Li, Z. P.* Polarization State of Light Scattered from Quantum Plasmonic Dimer Antennas. ACS Nano 2016, 10, 1580-1588. (一区,IF=13.9, X-MOL报道工作)

图4. 左图:纳米颗粒天线的获得及亚纳米间隙的电镜表征;右图:电子隧穿及非局域效应对共振峰及偏振态的影响。

  纳米天线给人们提供了在纳米尺度上调控光的有效手段。在经典电磁理论框架下,纳米天线的局域电磁场随着间隙的减小而增大,同时体系的共振频率也将持续红移。然而,当颗粒间隙减小至亚纳米区域时,表面等离子体电荷的量子隧穿效应、金属表面电子云间的重叠导致的非局域效应将使纳米天线的光学性质偏离经典模型的预测。亚纳米间隙下的量子效应是目前表面等离激元领域的热点问题。由于亚纳米间隙的获得十分困难,因此关于量子效应实验证据的报道往往会引起极大关注(参见英国剑桥大学J. Baumberg教授研究组工作Nature 2012, 491, 547;新加坡国立大学C. Nijhuisj教授研究组的工作Science 2014, 343, 1496)。尽管如此,相关实验报道还不多,诸多问题还亟待解决,如电子隧穿与非局域效应难以量化和区分,量子效应下纳米天线的发射偏振信息更没有相关报道。最近,我们基于电镜-暗场校准技术,实现了纳米间隙和偏振光谱的联合测量,探测到两种不同量子效应的作用区间。与此同时,首次观测到量子效应对纳米天线偏振态的影响,发现了量子效应引起的发射退偏现象,为构建量子纳米天线提供了实验和理论基础。

   

  7. Yang, L. K.; Li, Z. P.*; Wang, P. J.; Zhang, L. S.; Fang, Y.* Optical Properties of Noncontinuous Gold Shell Engineered on Silica Mesosphere. Plasmonics 2014, 9, 121-127.

  8. Chen, Y. R., Wu, H. H., Li, Z. P., Wang, P. J., Yang, L. K., Fang, Y.* “The Study of Surface Plasmon in Au/Ag Core/Shell Compound Nanoparticles”, Plasmonics, 2012 , 7, 509-513.

  9. Yang, L. K.; Li, Z. P.* Form and identify plasmonic dimer antennas: emitting-polarization resolved scattering from classical to quantum regime. Proc. of SPIE 2016, 10028, 100280A. (EI)

   


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