結(jié)合表面等離激元光學(xué)納腔，實(shí)現(xiàn)極低照度下納米晶高亮度光子上轉(zhuǎn)換

導(dǎo)讀

近日，華中科技大學(xué)陳學(xué)文、唐建偉與哈工大陳冠英教授合作在納米晶光子上轉(zhuǎn)換領(lǐng)域取得重要突破，他們提出納米晶內(nèi)部量子態(tài)與外部光學(xué)環(huán)境協(xié)同調(diào)控理論，預(yù)言并在單顆粒水平上揭示光學(xué)納腔效應(yīng)在光子上轉(zhuǎn)換中存在增強(qiáng)飽和的現(xiàn)象，演示了橫跨7個(gè)數(shù)量級(jí)的上轉(zhuǎn)換增強(qiáng)范圍，成功實(shí)現(xiàn)了極低照度下高亮度光子上轉(zhuǎn)換，從而展現(xiàn)了上轉(zhuǎn)換納米晶在生物成像、傳感、顯示等領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。相關(guān)成果以“Bright single-nanocrystal upconversion at sub 0.5 W cm?2 irradiance via coupling to single nanocavity mode”為題12月22日在線發(fā)表于光學(xué)領(lǐng)域國際頂尖學(xué)術(shù)刊物《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）上。

研究背景

稀土離子摻雜的納米晶，可將低能量光子轉(zhuǎn)換成高能量光子發(fā)射，在生物成像、傳感、顯示、信息存儲(chǔ)、光伏等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，其成功實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵在于能否在低激發(fā)光強(qiáng)下實(shí)現(xiàn)高亮度的光子上轉(zhuǎn)換。為提高上轉(zhuǎn)換亮度，在過去的二十年里研究者們投入了巨量的資源，材化學(xué)者們對(duì)納米晶內(nèi)部的材料組分、晶相、表面化學(xué)等各個(gè)方面作了優(yōu)化，同時(shí)平行地，光學(xué)工作者們優(yōu)化了納米晶的外部光學(xué)環(huán)境，例如采用表面等離激元耦合。然而，盡管這兩條線的進(jìn)展都很顯著，但納米晶上轉(zhuǎn)換的絕對(duì)亮度始終不如人意。

目前等離激元增強(qiáng)光子上轉(zhuǎn)換的研究中存在3個(gè)關(guān)鍵問題亟待解決：

1）從圖1a可以看到，報(bào)道的上轉(zhuǎn)換增強(qiáng)倍數(shù)差異巨大，從0.1倍到10,000倍，橫跨5個(gè)數(shù)量級(jí)，缺乏統(tǒng)一的理論框架來合理解釋這巨大的跨度。

2）從圖1a還可以看到，目前單顆粒對(duì)比實(shí)驗(yàn)給出的最高增強(qiáng)倍數(shù)僅能達(dá)到百倍，與系綜實(shí)驗(yàn)報(bào)道的萬倍增強(qiáng)相差甚遠(yuǎn)。這是一個(gè)令人擔(dān)憂的情況，因?yàn)閱晤w粒對(duì)比實(shí)驗(yàn)由于排除了系綜非均一性的影響，因而被認(rèn)為魯棒性更高。

3）從圖1b可以看到，目前報(bào)道的等離激元增強(qiáng)上轉(zhuǎn)換的絕對(duì)亮度居然顯著低于目前最亮的納米晶，這不禁讓人對(duì)等離激元增強(qiáng)效應(yīng)的真實(shí)功效產(chǎn)生了疑慮，畢竟人們追求的終極指標(biāo)是絕對(duì)亮度，而絕非相對(duì)增強(qiáng)倍數(shù)。

圖1 納米晶光子上轉(zhuǎn)換增強(qiáng)研究的綜述：a, 相對(duì)增強(qiáng)倍數(shù)；b, 絕對(duì)亮度。

研究亮點(diǎn)

陳學(xué)文教授團(tuán)隊(duì)及其合作者基于Yb和Tm (Er)稀土離子共摻雜體系的納米晶，結(jié)合表面等離激元光學(xué)納腔，在單顆粒納米晶高亮度光子上轉(zhuǎn)換方面取得了重要突破。

首先，他們給出了納米晶內(nèi)部量子態(tài)與外部光學(xué)環(huán)境協(xié)同調(diào)控理論，指出不僅需要考慮通常的激發(fā)光的增強(qiáng)和發(fā)光效率的改變，而且必須考慮量子效應(yīng)導(dǎo)致的上轉(zhuǎn)換稀土離子內(nèi)部的光物理動(dòng)力學(xué)的改變，后者與稀土離子摻雜濃度密切相關(guān)，這是光子上轉(zhuǎn)換增強(qiáng)觀念上的一個(gè)進(jìn)步?；谠摾碚?，他們預(yù)言了在光學(xué)納腔作用下光子上轉(zhuǎn)換將出現(xiàn)與摻雜濃度依賴的增強(qiáng)系數(shù)飽和現(xiàn)象。

圖2 a, 單顆粒納米晶與光學(xué)納腔單模場(chǎng)相互作用示意圖；b, 納米晶光子上轉(zhuǎn)換物理過程示意圖；c, 單顆粒納米晶與光學(xué)納腔協(xié)同調(diào)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

在實(shí)驗(yàn)研究方面，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)簡(jiǎn)潔的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)——可調(diào)諧的單顆粒納米晶與光學(xué)納腔單個(gè)模式耦合系統(tǒng)，在單顆粒水平上無可爭(zhēng)辯地證實(shí)了上面的理論預(yù)言，實(shí)驗(yàn)展示了上轉(zhuǎn)換增強(qiáng)系數(shù)依據(jù)摻雜濃度和激發(fā)設(shè)置的不同可在0.005到230,000之間變化——橫跨7個(gè)數(shù)量級(jí)。研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證實(shí)納米晶內(nèi)部量子態(tài)和外部光學(xué)環(huán)境協(xié)同調(diào)控理論在不同的材料體系中成立，具有普遍意義。

圖3 在單顆粒水平上無可爭(zhēng)辯地證實(shí)與摻雜濃度依賴的增強(qiáng)系數(shù)飽和現(xiàn)象

圖4 創(chuàng)紀(jì)錄的上轉(zhuǎn)換增強(qiáng)倍數(shù)（230,000倍）

最后，研究團(tuán)隊(duì)給出了獲得超亮納米晶光子上轉(zhuǎn)換的一般性思路，在此基礎(chǔ)上制備了樣品和器件，實(shí)驗(yàn)演示了在激發(fā)功率密度低至0.45 W cm?2時(shí)仍可檢測(cè)到每秒560個(gè)光子的可觀上轉(zhuǎn)換信號(hào)，比此前記錄提升了兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

圖5 激發(fā)功率密度低至0.45 W cm?2時(shí)仍可檢測(cè)到每秒560個(gè)光子的可觀上轉(zhuǎn)換信號(hào)

總結(jié)與展望

研究背景中提到的3個(gè)關(guān)鍵問題都在該論文中得到了解決：

1）論文給出了納米晶內(nèi)部量子態(tài)與外部光學(xué)環(huán)境協(xié)同調(diào)控理論，還構(gòu)建了協(xié)同調(diào)控實(shí)驗(yàn)技術(shù)平臺(tái)，不僅合理解釋并理性演示了橫跨多個(gè)數(shù)量級(jí)的上轉(zhuǎn)換增強(qiáng)倍數(shù)，還將增強(qiáng)范圍從5個(gè)數(shù)量級(jí)（0.1倍到10,000倍）大幅擴(kuò)大到7個(gè)數(shù)量級(jí)（0.005倍到230,000倍）。

2）論文報(bào)道的增強(qiáng)倍數(shù)均是基于最嚴(yán)格的同一單顆粒對(duì)比，魯棒性極高，將先前單顆粒增強(qiáng)遠(yuǎn)遜于系綜增強(qiáng)的不利狀況一舉扭轉(zhuǎn)。

3）論文在絕對(duì)亮度上取得大幅突破（提升了兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上），無可爭(zhēng)議地證明了等離激元增強(qiáng)路線是行之有效且具有廣闊前景的。

論文提出的光子上轉(zhuǎn)換增強(qiáng)思路不依賴于具體的光學(xué)納腔實(shí)現(xiàn)方式，并且適用于不同的上轉(zhuǎn)換材料體系，這種光子上轉(zhuǎn)換增強(qiáng)的新方法可以通過自組裝方法擴(kuò)展到大規(guī)模系統(tǒng)，從而為納米晶光子上轉(zhuǎn)換的各種未來應(yīng)用鋪平了道路。

論文信息

華中科技大學(xué)物理學(xué)院孟勇軍博士為該論文的第一作者，華中科技大學(xué)物理學(xué)院陳學(xué)文教授、唐建偉副教授和哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院陳冠英教授為該論文的共同通訊作者，華中科技大學(xué)為第一完成單位。該成果得到了國家自然科學(xué)基金（11874166，92150111，62235006，12004130，51972084，52272270，51672061）、華中科技大學(xué)、中央高?；究蒲袑ｍ?xiàng)資金和城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（2020DX10）的資助。

論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41566-022-01101-z

審核編輯 ：李倩