操控等离子体纳米粒子晶格中的光-物质相互作用

摘要： 理性组装的纳米结构展现出超越其单个单元的独特物理化学性质。纳米制造技术的发展使得在宏观尺度（>平方英寸）区域上实现多种纳米材料图案化成为可能。当晶格间距接近入射光波长时，周期性金属纳米结构会产生长程衍射相互作用。晶格中金属纳米粒子间的集体耦合会引发尖锐而强烈的等离激元表面晶格共振，这与单个纳米粒子产生的宽泛局域共振形成鲜明对比。等离激元纳米粒子晶格在亚波长范围内（比单个单元强两个数量级）能产生显著增强的光学场，这些强电磁场可调控光催化、光谱分析、非线性光学及光捕获等纳米尺度过程。 本文重点探讨激子-等离激元耦合及等离激元纳米粒子晶格的光-物质相互作用进展：首先阐述超锐利表面晶格共振的基本原理——该共振源于纳米粒子局域表面等离激元与晶格衍射模式的耦合；其次讨论染料分子与等离激元纳米粒子晶格集成后形成的室温纳米激光器架构，通过调节折射率环境或改变晶格间距可实时调控激光发射波长；第三描述通过操控晶胞形状或晶格几何构型来控制激光发射特性的方法，低对称性等离激元纳米粒子激光响应及多尺度等离激元超晶格（有限晶格阵列形成的微米尺度极化依赖纳米粒子群）能支持多模式可控纳米激光；第四探讨光活性发射体在纳米腔阵列上的组装行为——这种混合材料体系具有增强的激子-等离激元耦合效应，将金属-有机框架材料置于纳米粒子周围可产生具有晶格决定波长的强荧光增强混合光子模式，二维材料中量子发射体与等离激元晶格的确定性耦合能保持单光子发射并缩短衰减寿命。 最后重点介绍纳米粒子晶格的新兴应用：从紧凑型全可重构成像器件到固态发射体结构。等离激元纳米粒子晶格是可调谐平面光学、非平庸拓扑光子学及化学活性调控的多功能可扩展平台。