基于局域表面等离子共振(Local Surface Plasmon Resonance,LSPR)原理, 本文利用有限元法研究了银圆锥纳米阵列共振波长的调控方法。使用COMSOL仿真软件模拟银圆锥纳米阵列表面附近的平均电场强度随入射光的变化, 结果表明其共振波长与阵列周期和环境折射率有关。圆锥阵列周期p的增加, 导致共振波长发生红移。两者间近似呈线性关系, 可根据有效波长理论拟合得到阵列周期与共振波长间的线性关系式: p=0.97λ+21.244。圆锥半径r和高度h的变化对共振波长无影响。周期p为560 nm时, r=120 nm, h=200 nm, 共振波长峰高达到最值。环境介质折射率增加导致共振波长红移, 峰高减小, 并且出现多个共振波峰。

为了提升氮化镓(GaN)基发光二极管(Light Emitting Diode,LED)的发光效率,设计工艺简单且成本低廉的领结型纳米银金属阵列,并将该结构集成于GaN基发光二极管的表面,在不破坏外延结构的情况下通过激发局域表面等离激元效应有针对性地提升不同波段发光二极管的光提取效率。利用时域有限差分法系统地模拟计算不同尺寸的领结型纳米银金属阵列在不同入射波长下对GaN基发光二极管光提取效率的影响,并通过实验进行验证。结果表明,在中心波长分别为370,425,525 nm的LED的表面集成最优尺寸的领结型纳米银金属阵列,其光致发光峰强度相比于无表面结构的LED分别提升71.1%、148.2%和105.9%。

一些具有表面增强拉曼散射（Surface-enhanced Raman Scattering, SERS）性能的金属氧化物材料近年来被广泛研究，它们具有相较于传统贵金属材料更为优异的信号均匀度、材料稳定性和生物兼容性等。目前金属氧化物SERS的研究瓶颈在于拉曼增强效果一般，需要对其检测灵敏度进行有效提升方可实现日后的广泛应用。因为金属氧化物具有若干种区别于贵金属的材料特征，例如带隙、化学计量比、激子等多个维度的材料特性，所以金属氧化物可以通过调控若干种材料性能以达到协同增强拉曼散射的目的。本文选取氧化铟锡（Indium Tin Oxide, ITO）作为示例来研究重掺杂金属氧化物纳米阵列中的协同增强拉曼散射现象。该体系同时集成了重掺杂半导体材料的SERS性能以及光学干涉腔的特征，协同性地实现了ITO纳米阵列的SERS性能提升。该研究为金属氧化物SERS基底的研究提供了一个很好的案例，在对金属氧化物SERS材料性能进行提升时，需要对金属氧化物中可能产生的干涉现象进行有效利用。

Surface plasmon polaritons (SPPs) have extensive application prospects in high-sensitivity biosensing because of their extraordinary optical properties. However, the large size and cost of prism-based plasmonic sensors limit their commercial applications. Fortunately, the emergence of metallic nanostructured sensors has provided an effective approach to realize low-cost and highly integrated plasmonic sensors. In this review, we first assess the current status and advantages of plasmonic nanostructured sensors, then focus on our group's recent research on their miniaturization, integration, and fabrication cost reduction. Our work is of significance for the development of both plasmonic sensing theory and nanostructured sensing technology.

有序贵金属纳米结构由于其本身所特有的光学响应及灵活调控能力, 在微纳光电子材料与器件研究领域得到了广泛应用。在众多相关研究中, 如何实现金(Au)纳米周期结构的大面积快速制备是人们关心的重要问题之一。采用纳米球自组装刻蚀方法, 在大孔周期结构模板内部成功制备了新型二维Au纳米阵列, 并有效避免了杂散Au纳米颗粒的产生。通过进一步的工艺优化和参量控制, 实现了Au纳米颗粒尺寸的灵活调控, 并探讨了其结构形成的物理机理。光学测试研究结果揭示了二维Au纳米阵列的表面等离子体吸收与散射响应, 并证明其在近红外飞秒脉冲激励下具有显著的双光子吸收(饱和)效应。该研究结果在太阳能电池, 光开关及材料微纳制备等领域具有潜在应用。

通过模板法制备大面积、 可控的、 可重复的、 热点集中的金纳米结构阵列, 并在纳米结构阵列上通过化学修饰分子, 吸附更多苏丹红Ⅰ分子至金纳米的SERS增强区域, 实现其高灵敏的表面增强拉曼分析检测。 以多孔阳极氧化铝为模板, 通过真空蒸镀金, 约200 nm厚度, 复制氧化铝的孔洞结构, 用碱液将氧化铝模板腐蚀去除, 可得到氧化铝模板的互补结构, 即大面积的、 均匀的金半球纳米结构阵列。 在金纳米结构阵列上修饰十二硫醇, 硫醇巯基端与纳米金相结合, 碳链端自组装形成非极性的疏水环境, 疏水环境可以捕获苏丹红Ⅰ分子, 使其吸附至纳米金结构表面的SERS增强区域, 实现苏丹红Ⅰ的SERS检测。 由于SERS基底表面的金半球纳米结构均匀、 规整, 在激光光斑的区域内, 苏丹红Ⅰ的SERS信号均匀、 稳定, 可以对苏丹红Ⅰ进行定量分析。 苏丹红Ⅰ的拉曼峰强度对数与浓度对数之间呈线性关系, 线性相关系数达0.99, 线性范围为5×10-4～10-7mol·L-1, 回收率范围77%～117%。 此方法的检测限可达到4×10-8mol·L-1, 与国标的高效液相色谱的检测限相当。

以石英和不同型号的玻片为基底，系统研究了基底折射率对周期性金银复合纳米阵列的制备及其光学性能的影响。采用离散偶极子近似(DDA)数值方法研究了复合阵列的局部表面等离子共振(LSPR)光谱特性，计算结果表明，当基底折射率为1.43 和1.68 时，纳米阵列的折射率灵敏度(RIS)和品质因子(FOM)比较优异。利用纳米球刻蚀法(NSL)制备了二维周期性复合纳米点阵结构，实验结果表明，当基底折射率为1.43 和1.68 时，基底与贵金属纳米颗粒有较好的粘合度，纳米阵列结构形貌比较规则清晰。

纳米球刻蚀技术和磁控溅射方法在普通玻璃衬底上制备有序氧化锌(ZnO) 纳米阵列。利用扫描电子显微镜对样品表面形貌进行了观测，并对样品进行荧光(PL)光谱测试。结果表明，相比于普通ZnO薄膜，ZnO纳米阵列的有序结构可以提高在紫外区域的发光性能，减少蓝绿光的发射缺陷。研究了不同ZnO纳米阵列粒径大小和不同ZnO纳米阵列的厚度对其光学性质的影响。溅射时间30 min的有序ZnO纳米阵列样品的质量和结晶状态较好，随着聚苯乙烯(PS)纳米球粒径的减小，样品吸收峰和荧光光谱均发生“蓝移”。

采用化学沉淀法, 以硝酸锌和六次亚甲基四胺的水溶液为生长溶液, 在涂覆氧化锌晶种层的玻璃衬底上制备了定向生长的氧化锌纳米棒阵列, 并研究了添加剂聚乙烯亚胺的浓度对氧化锌纳米棒形貌和结构的影响。 X射线衍射和场发射扫描电镜的结果表明, 合成的氧化锌纳米棒阵列较为均匀致密, 具有六方纤锌矿结构, 且有沿（002）晶面择优生长的特性; 随着聚乙烯亚胺浓度的增加, 氧化锌纳米棒的直径减小, 直径分布趋于均匀, 且氧化锌纳米棒的形貌也从锥状转变为柱状结构; 另外, 聚乙烯亚胺的加入对氧化锌的生长速度具有抑制作用, 当聚乙烯亚胺的浓度增加至0.012 mol·L-1时, 无氧化锌阵列生长。 对氧化锌纳米棒阵列进行了拉曼光谱表征, 结果表明, 随着溶液中聚乙烯亚胺浓度的增加, 氧化锌纳米棒的氧空位缺陷减少。 最后, 对聚乙烯亚胺浓度对氧化锌纳米阵列影响的机理进行了探讨。