| 成果名称: | 光电功能微纳结构的应用基础研究 |
| 完成单位: | 中山大学、 香港中文大学 |
| 主要人员: | 金崇君、沈杨、王建方、周建华、刘天然、江瑞斌、刘明凯、肖国辉、黎国珍 |
| 介绍: | 本项目题目为"光电功能微纳结构的应用基础研究"，属于物理学中的光学，课题研究光电功能微纳结构的物理机理、制备技术及其应用，是物理学、材料科学和工程科学等多学科交叉的国际科学前沿领域。对纳米材料光电性质的基础研究，不仅使人们对物质世界的认识进入到崭新的阶段，还孕育着新的技术革命，给材料、信息、能源、环境、生物医学等领域带来极大的发展空间。国家在中长期科技发展规划中明确指出："纳米科技已成为许多国家提升核心竞争力的战略选择，也是我国有望实现跨越式发展的领域之一。"同时，纳米材料作为"新兴战略产业"之一，被列为"十三五"材料领域科技创新专项规划的发展重点之一。所以，开展光电功能纳米材料研究体现了国家科技发展的重大需求。 光电功能人工微纳结构（例如表面等离激元结构、光子晶体结构、超材料、超表面等）在当前光子学、光电子学、生物医学、能源等领域发展中的作用越来越显著，不仅在物理上展现出很多自然界不存在的奇异光电特性，而且在器件应用上表现出传统器件所无法比拟的优越性。因此，深入探寻光电功能微纳结构的奇异物性、揭示其背后深刻的物理机制并深入研究其应用机理，不仅增进了人们相关的科学知识，而且为纳米材料的应用提供了物质基础。 在多项国家自然科学基金资助下，依托中山大学光电材料与技术国家重点实验室，本项目开展了光电功能微纳结构的应用基础研究，在发展新的微纳结构制备技术、探索新的物理效应和物理机制以及拓展其生物检测和微纳光电器件的应用方面取得了一系列创新性研究成果，为纳米光电材料及集成器件应用提供了重要的科学依据和技术支撑。其主要科学发现和创新点如下： 1. 通过调控金属微纳结构中的光场局域程度，提高光场对附着在微纳结构表面的分子的敏感度，实现对生物分子和爆炸性气体氢气等的高灵敏光学检测。提出了一种基于局域等离激元（LSPR）和伍德异常（WA）之间相互耦合的新型生物光学传感器，并演示了该技术在早期肝癌标志物(甲胎蛋白)检测上的应用，其传感品质因子（Figure of Merit）比当时国际同类器件的最高水平提高了近5倍。同时设计和演示了一系列相关的基于微纳结构的高性能传感器。这些研究为探索光学微纳结构传感器在生物医学、环境检测等领域的应用提供了科学和技术基础。 2.提出调制双层光栅上下层之间的错位可以调控光学耦合方向的物理原理，设计了具有高耦合效率和单向比的表面等离激元单向耦合器，并发展了相应的纳米制备技术，实验演示了该器件的高效率单向表面等离激元耦合现象；设计了基于导模谐振的全聚合物微流体可调谐反射滤波器，并发展了相应的多层纳米光学结构的制备技术，演示了相应的器件应用。这些研究为发展新型微纳米集成光学元件提供了科学依据和技术支撑。 3.通过胶体模板法技术发展了反演胶体模板法制备工艺，并以此技术制备多种具有特定功能的新奇微纳光学结构，分析了这些结构的光学特性和物理机理，发现非平面纳米沟道和纳米嘴阵列可以将光场局域在自身的纳米沟道和纳米嘴上，从而出现与此前报道完全不同的仅依赖于纳米沟道或纳米嘴形状和大小的透射增强现象，可以应用在折射率传感和光学非线性增强等方面。在此基础上，分析了超薄周期性金纳米孔光学透射抑制现象，提出可通过光场分布的傅里叶谱来分析光学透射抑制的起源，发现了这种透射抑制和周期性纳米孔的大小有关，随着大小的不同，偶极子模式、短程表面等离激元、杂化模式分别起主要作用。这些研究为新型微纳光学元件的发展提供新的思路。 10篇代表性论文平均SCI影响因子为6.9，SCI他引272次；20篇主要论文SCI他引320次。发表论文中包括Nat. Commun.、Nano Lett.、Adv. Funct. Mater.等。论文引用者包括中科院院士赵东元、严纯华、龚旗煌，中国工程院院士庄松林，英国皇家学会院士&卡文迪许实验室纳米光子学中心主任Jeremy Baumberg，Light: Science & Applicatoins专题编辑光子学专家Harald Giessen等著名学者。获授权中国发明专利8件。5次受邀在重要国际重要学术会议上做邀请报告。培养的博士生沈杨博士获2016年首届光学工程学科全国优秀博士论文奖。 本项目受限于实验规模和实验设备要求，项目研究成果目前还处于实验室阶段，尚无法马上实现科技成果向工业界的转化。为了能够让项目研究成果尽快应用于工业界创造经济效益，下一阶段的主要研究方向希望与相关生物检测产业开展合作，结合实际需求，有针对性地发展新一代生物分子传感器件。 |
| 批准登记号: | 粤科成登（2）字【2017】0195 |
| 登记日期: | 2017-05-27 |
| 研究起止时间: | 2009.01 至2015.05 |
| 所属行业: | 科学研究和技术服务业 |
| 所属高新技术类别: | |
| 评价单位名称: | 中山大学学术委员会 |
| 评价日期: | 2017.05.19 |
