武汉大学丁涛课题组在等离激元增强圆偏发光机制与器件应用方面取得系列进展

（通讯员物轩）近日，武汉大学物理科学与技术学院教授丁涛带领的“光子材料与技术（PMT）”课题组，于Advanced Materials（《先进材料》）、Science Bulletin（《科学通报》）和ACS Nano（《ACS纳米》）等期刊发表多项关于等离激元增强圆偏振发光的研究成果。

圆偏振发光器件在三维显示、信息加密、生物传感等领域具有广阔应用前景，但其发展长期受制于一个关键瓶颈：难以同时实现高发光不对称因子（g_lum）与高发光量子产率（PLQY）。

图1.手性等离激元纳腔增强圆偏发光：(a)圆偏发光增强结构示意图；

(b)圆偏振发光强度差(CDE)与(c)超手性场强的对应关系；

(d)手性纳腔中的手性准暗模式特征及其(e)增强圆偏发光作用；

(f)不同染料分子聚集体的圆偏发光亮度及其(g)在超高分辨圆偏发光显示方面的应用

为解决这一难题，PMT课题组在前期基于传统等离激元纳腔增强手性分子传感的基础上，提出“手性等离激元纳腔”的概念（图1a）。他们与合作者系统揭示了手性纳米颗粒形貌对纳腔手性光学性质的调控机制及其对圆偏发光性能的影响规律。在这种“手性颗粒在镜子上”的独特结构中（图1a），研究团队发现，结构所产生的“超手性场”(C/C₀)强度对圆偏发光的不对称性具有决定性作用（图1b,c），其内部存在一种强手性准暗模式（图1d），可将染料分子的发光不对称因子（g_lum）显著提升至1.1（图1e）。该研究成果以短讯形式发表在Science Bulletin（《科学通报》）上，标题为“Unravelling the ultrastrong quasi-dark chiral mode in helicoid-on-mirror geometry for superior circularly polarized emission”(《揭秘“螺旋颗粒在镜子上”几何结构中的超强准暗手性模式以实现卓越圆偏振发光》)。物理科学与技术学院2023级博士生李勇为论文第一作者，丁涛为论文唯一通讯作者，武汉大学为第一完成单位。

在此基础上，研究团队进一步将高量子产率的苝分子发光聚集体与带有凸起的“螺旋颗粒在镜面上”结构相结合，成功构筑出兼具高亮度与超小尺寸的圆偏振发光像素单元（图1f），并展示了其在超高分辨率圆偏振显示领域的应用潜力（图1g）。这一集高性能、光谱可调与微型化于一体的器件架构，为下一代量子信息与超高清显示所需的手性光子器件开辟了新路径。相关成果以“Ultrabright and Ultrasmall Chiral Luminescence Pixel Based on Thorned-Helicoid-on-Mirror”(《基于带突刺的螺旋-镜面结构实现超亮超小手性发光像素》)为题发表在Advanced Materials（《先进材料》）上。物理科学与技术学院2023级博士生李勇为论文第一作者，丁涛与意大利技术研究院的胡华天博士为共同通讯作者，武汉大学为第一完成单位。

图2.手性等离激元纳腔结构增强稀土离子络合物光致发光(a)与室温手性单光子发射(b)

此外，该课题组还发现该“手性颗粒在镜面上”结构具有较强的磁模式，通过与手性电偶极子协同，可有效增强手性稀土络合物的圆偏振发光性能（图2a），并在室温观测到手性单光子发射现象（图2b），为手性量子光学器件的集成与应用奠定了重要基础。相关研究成果分别发表于ACS Nano（《ACS纳米》）和Nano Letters（《纳米快报》），武汉大学物理科学与技术学院2024级博士生梁开香为第一作者，丁涛为通讯作者，武汉大学为第一完成单位。

以上研究获得了国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助，并得到了武汉大学科研公共服务条件平台和武汉大学电镜中心的技术支持。

论文链接

https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.11.048

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202506139

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c03052

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c16404

（供图：物理科学与技术学院 编辑：赵冀帆）