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近日，中山大学陈钰杰教授与河南大学张文凯教授团队在提升碳点固态发光性能方面取得重要进展。通过将红色荧光碳点与等离激元纳米贴片天线耦合，成功在室温下实现了发射强度增强76倍、辐射寿命缩短至80皮秒的明亮、超快窄带发射。相关成果以“Assembly of Centimeter-Scale Plasmonic Nanocavities for Bright and Ultrafast Emission of Red Carbon Dots”为题发表在国际知名期刊《ACS Applied Nano Materials》上。
应用方向：片上集成化单光子源、高通量量子信息光芯片、量子密钥分发终端微型化光源、超快响应纳米像素显示器
碳点作为一种新兴的碳基荧光纳米材料，因其合成简便、成本低廉、稳定性高及能带可调等优势，在量子发射器领域展现出巨大潜力。然而，其固态发光效率较低、辐射寿命通常处于纳秒量级等问题，严重制约了其在需要明亮、快速发射的应用场景中的发展，如快速显示、单光子源及高频量子通信系统。等离激元耦合技术，特别是利用等离激元纳米腔模式，被认为是解决上述问题的有效途径。该结构能够通过Purcell效应显著改变发射体周围环境的局域态密度，从而大幅提升其自发辐射速率。然而，如何在纳米尺度的光学热点内精确并可重复地定位发射体，以及如何实现大面积、高质量的纳米腔制备，是该领域长期面临的挑战。
本研究的核心突破在于发展了一种结合传统旋涂工艺与保形转印薄膜技术的纳米腔制造方法。该工艺首先通过溶液法自组装制备高质量二维银纳米颗粒薄膜，随后利用聚二甲基硅氧烷基板进行“拾取”，并*终通过施加约1N的压力将其转印至预先制备的底层结构上，从而构建出完整的纳米贴片天线结构。此方法成功实现了厘米尺度（约2.5 cm²）上具有均匀质量的等离激元纳米腔的大面积制备。整个流程基于溶液化学组装，成本低廉，并且通过模块化的转印技术，实现了对发射体位置的精确控制，保证了器件性能的确定性与可重复性。
光学表征结果证实了该纳米腔结构的强大性能。稳态光致发光光谱显示：
发光强度显著提升：与未耦合的参考器件相比，NPA器件的发射强度增强了76倍（峰值增强因子达92）。时间分辨荧光寿命测试表明，耦合后的R-CDs辐射寿命从6.6纳秒急剧缩短至80皮秒，计算得到的Purcell因子高达82，意味着发射速率提升了82倍。该结构同时对碳点的拉曼信号产生了超过百万倍的增强。分析指出，发射增强主要源于纳米腔对激发效率的巨大提升。此外，研究还观测到强烈的发光偏振消光对比（约10:1），直接证明了激子-等离激元之间的耦合。
研究团队通过室温共聚焦显微光致发光光谱系统对样品的发光特性进行了关键表征。本研究的关键光学数据是采用北京卓立汉光仪器公司的RTS2-HU-DZX型300 mm光谱仪进行分析获得的，该仪器为精确测量发光强度与光谱特性提供了可靠保障。测试时，405 nm激光通过100倍物镜聚焦于样品表面，并利用同一物镜收集发射光。可以观察到，不同器件表面的激光散斑图案存在显著差异。与参考器件R的均匀光斑相比，NPA器件表面呈现出随机分布的明亮散斑，这与其独特的等离激元结构相关。NPA的反射光谱在500-750 nm范围内显示出一个宽谱的表面等离激元共振峰，与R-CDs的发射光谱高度重叠。在激光激发下，NPA器件展现出远超M和R器件的谱线强度和荧光亮度。经计算，NPA实现了相对于参考器件高达76倍（峰值增强因子为92）的发光强度增强，表明腔内的发射体均被有效耦合。
该项研究克服了碳点材料在固态发光器件中发光效率低和速率慢的瓶颈。所实现的明亮、超快、窄带（半高宽<30 nm）红色发射，使碳点成为量子光学应用中极具竞争力的候选材料，例如低阈值纳米激光器和单光子源。同时，该研究中低成本、可大规模生产的纳米腔制造策略，也为其他量子发射体与等离激元结构的集成提供了新的技术路径，有望推动相关光电器件的发展。
图1. 等离激元纳米贴片天线（NPA）结构设计
图2. NPA 的制造和表征 .
图3.（a）器件R（黑色）、M（红色）和NPA（蓝色）的显微光致发光光谱
图4.（a）器件R（黑色）、M（红色）和NPA（蓝色）的荧光衰减曲线
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本研究的关键光学数据是采用北京卓立汉光仪器公司的RTS2-HU-DZX型300 mm显微荧光光谱仪进行分析获得（目前已升级为OmniFluo-FLIM显微荧光寿命成像系统）。
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作者简介
陈钰杰陈钰杰，现任中山大学电子与信息工程学院副教授，兼任美国光学学会（OSA）旗下期刊审稿人，广东省民进科学技术工作委员会委员。2001‑2005在中山大学物理科学与工程技术学院获物理学学士，2005‑2008在同校光学工程专业获硕士学位，2008‑2012在英国斯特拉斯克莱德大学光子学研究所取得物理（光子学）博士学位，期间获苏格兰物理学联盟全额奖学金及国家优秀自费留学生奖学金。工作经历包括主持国家自然科学基金、广东省自然科学基金等多项科研项目，研究方向聚焦光子学、光子集成、光通信原理与技术等，在Optics Express、Physical Review Letters、Nature Communications等国际期刊发表多篇高水平论文。曾获高校基本科研业务费青年教师培育项目、教育部留学回国人员科研启动基金等多项科研资助，并在光学与光电子领域拥有丰富的教学与科研经验。
张文凯
张文凯，男，河南大学化学与分子科学学院教授、博士生导师，河南省高校青年骨干教师、开封市科技创新人才。2008-2013年在中山大学高分子化学与物理专业攻读博士学位，2019-2020赴Mississippi State University化学系访学。2013年7月进入河南大学化学与分子科学学院工作，历任讲师、副教授、教授。主要研究方向为柔性智能光子材料与光学加密应用，主持国家自然科学基金2项，省级以上项目5项；以第一/通讯作者在Chemistry of Materials、J. Mater. Chem. C等国际权威期刊发表SCI论文30余篇，获授权国家发明**5项。研究成果获河南省军民科技协同创新大赛奖、河南省科技厅自然科学学术论文奖等荣誉。
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