近日，南方科技大学材料科学与工程系钟锦辉副教授团队围绕金属等离激元-有机分子杂化体系展开深入研究，通过设计金属纳米颗粒-分子杂化体系和金属纳米结构阵列-分子聚集体体系，实现了弱耦合条件下分子三重态的高效生成和强耦合条件下激子极化激元的各向异性传输与调控。相关成果分别发表于国际期刊Nano Letters和ACS Nano。

 弱耦合条件下分子三重态的高效生成

分子三重态在光动力治疗、光催化等领域具有重要应用，但其生成效率偏低一直是该领域的技术难点，开发新型敏化剂与敏化机理成为该领域的研究前沿。本研究以9-蒽甲酸（ACA）为模型分子，构建金（Au）和铂（Pt）纳米颗粒—分子杂化体系，揭示了金属纳米颗粒促进分子三重态生成的新机制。实验表明，分子受光激发后发生空穴转移至金属纳米颗粒，经金属中的电子自旋翻转与电荷复合形成三重态。其中，Pt-ACA体系具有更迅速的空穴转移过程，而Au-ACA体系则表现出更高的三重态生成效率。

图1. Au纳米颗粒-ACA杂化体系的超快光谱表征

基于上述发现，团队将该杂化体系应用于具有高活性单线态氧的产生。在性能方面，Au-ACA和Pt-ACA体系的单线态氧量子产率大幅提升，分别达到67.8%和42.3%，显著优于自由ACA分子23.4%。团队进一步探索了该体系抗菌应用效果，发现Au-ACA体系的抗菌率达到99%，且具有低暗毒性，展现出优异的光动力与光热协同抗菌潜力。

图2. 金属纳米颗粒-ACA杂化体系的单线态氧量子产率与三重态生成机理

该研究拓展了金属纳米颗粒在分子激发态调控中的应用场景，揭示了增强三重态产生的原理，为设计高效光敏材料及其在抗菌和光动力治疗中的应用提供了新思路。

该成果以“Metal Nanoparticle Enhanced Molecular Triplet Generation for Singlet Oxygen Production and Antibacterial Application”为题在线发表于国际期刊Nano Letters，南方科技大学材料科学与工程系23级硕士生李展召和许子玮为论文第一作者，钟锦辉为唯一通讯作者。南方科技大学为论文第一单位。

强耦合条件下分子激子极化激元的各向异性传输与调控

激子-极化激元是光与物质强耦合作用下形成的半光-半物质的准粒子，其光子组分固有的相干性能够克服有机分子中的激子局域化问题，实现长程相干能量传输。然而，根据需求主动调控极化激元的传播方向，仍是该领域亟待解决的问题，这对拓展其在光电器件中的应用至关重要。

图3. 六方金纳米阵列及其各向异性的SPP模式

研究团队利用全息光刻技术制备出六方金纳米阵列结构，该结构支持的表面等离激元极化激元模式（SPP）展现出各向异性的色散关系，其共振能量、线宽和幅值均受结构的方位角周期调制，为实现耦合强度的方向性调控奠定了基础。

为实现分子激子与SPP模式的强耦合，研究团队将J-聚集体分子置于阵列表面，角分辨反射和光致发光（PL）光谱展现的明显的反交叉色散关系及拉比劈裂，证实了激子与SPP模式的强耦合作用。通过时域耦合模理论拟合，研究人员发现耦合强度呈现显著的方位角依赖性。团队利用自主搭建的具有能量分辨和动量选择功能的实空间光致发光成像系统，进一步揭示了光子组分可调的极化激元空间相干传播，其传播距离可达10微米，远超传统激子的扩散长度。此外，该极化激元的传播距离还展现出与SPP色散关系和品质因子相同的方位角依赖性，实现了对比度90%的各向异性空间传播。

图4. 极化激元的各向异性传输

该研究不仅深入揭示了腔模式的光学特性如何决定极化激元传输行为，更重要的是，通过工程化金纳米阵列结构，实现了对能量传输方向的按需调控。这一策略为开发用于光伏、光催化、光学路由和有机光电子学的相干、定向能量传输器件开辟了新的路径。

该成果以“Directional Control of Strong Coupling Enables Anisotropic Propagation of Molecular Exciton-Polaritons”为题在线发表于国际期刊ACS Nano，南方科技大学材料科学与工程系23级博士生刘开祯为论文第一作者，兰州大学刘博文教授和钟锦辉为论文的共同通讯作者。南方科技大学为论文第一单位。

上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、广东省可持续仿生材料与绿色能源重点实验室、深圳市声子物理与智能热材料重点实验室、量子功能材料全国重点实验室和南方科技大学高水平专项基金等项目支持。

论文1链接： https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c05126

论文2链接： https://doi.org/10.1021/acsnano.5c17969

供稿：材料科学与工程系

通讯员：邓雅丽

编辑：任奕霏