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[专家学者] 武汉大学材料系徐红星

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发表于 2017-3-22 10:44:15 | 显示全部楼层 |阅读模式
徐红星武汉大学物理科学与技术学院教授,973项目首席科学家,长江特聘教授,2006年杰青,2010年获得中国青年科技奖,2013年获得饶毓泰物理奖,2016年获中国光学重要成果奖,2017年当选中国科学院院士。他长期从事表面增强光谱、等离激元光子学和纳米光学领域的研究工作:在实验上首次发现了金属纳米结构间隙的巨大电磁场增强效应,是超灵敏光谱传感的基础;首次实现了纳米光逻辑,开创了纳米光芯片研究的新方向;最近把等离激元共振的灵敏度提高到亚皮米精度。发表论文180余篇,SCI引用13000余次,单篇引用超过1000次的两篇(分别是1999年PRL,当年PRL被引最高的两篇文献之一;2000年PRE,当年PRE被引最高文献,被选为PRE的里程碑论文),单篇超过100次的37篇,h因子58;2014-2017年连续入选中国高被引学者榜。他已作国际会议邀请报告60余次;在等离激元光子学领域国际系列会议(SPP,NFO,SPIE,FOP)中,任FOP国际会议的大会主席,其它三大国际会议的程序委员会委员;最近任高登研究会议(GRC)Plasmonically-Powered Processes国际会议首届大会主席;曾任Nanoscale副主编,Optics Express副主编。

徐红星

徐红星
简历:
1988.09-1992.07 北京大学技术物理系,获学士学位;
1992.09-1994.09 北京应用物理与计算数学研究所工程师;
1996.01-2002.03 瑞典查尔莫斯理工大学应用物理系,获博士学位(其间:2001.02-2001.06加拿大国家研究院微结构研究所访问学者);
2002.04-2002.08 瑞典查尔莫斯理工大学应用物理系博士后;
2002.09-2004.12 瑞典隆德大学固体物理系助理教授;
2005.01 入选中国科学院“百人计划”, 任研究员;
2006.01-2008.6中科院物理研究所表面物理国家重点实验室副主任;
2009.05-2014.6 中科院物理研究所纳米物理与器件实验室主任;
2012.06 武汉大学纳米科学与技术研究中心主任
2014.07 武汉大学物理科学与技术学院教授,副院长;
2014.07 武汉大学高等研究院副院长;
主要研究方向:纳米光学和等离激元光子学,表面等离激元,金属纳米结构,表面增强光谱,等离激元波导。
近五年主要研究成果:
长期从事表面增强光谱和等离激元光子学(plasmonics)方面的研究工作,在单分子表面增强光谱和纳米全光网络方面做出了开创性和系统性的工作。主持的项目包括国家杰出青年科学基金、科技部重大科学研究计划项目、基金委重点项目和仪器专项、中科院重要方向项目,基金委面上项目等。2010 获第十一届中国青年科技奖、2013 年获中国物理学会饶毓泰物理奖。在包括Nature Commun.,PRL,Nano Lett.,PNAS,JACS, Adv. Mater.等的国际著名科学杂志发表论文150余篇,其中影响因子>7的有42篇(其中30篇为第一或通讯作者)。全部论文近五年被SCI 杂志引用7000 余次,H 因子40,17篇论文被SCI杂志引用超过百次,最高单篇被引用1240余次,是1999年发表的所有PRL中引用最高的十篇文献之一,次高910余次,是2000年发表的所有PRE中引用最高的文献。这些工作产生了广泛的国际影响,被邀请撰写综述性论文10 篇,获重要国际会议邀请报告40 余次,任Optics Express副主编及多个SCI 期刊的编委,组织了十余次国际学术会议。在等离激元光子学领域最有影响力的四个国际会议(SPP, NFO, SPIE 的Plasmonics 分会,等离激元光子学前沿国际会议FOP)中,担任前三个会议的程序委员会委员和FOP 会议的三届大会主席,其中FOP2 被Nature Photonics 专栏报道。
在等离激元光子学的两个重要领域:等离激元共振和表面增强光谱、等离激元波导和纳米光芯片,开展了系统和深入的研究,取得了一系列重要的研究进展和研究成果。主要学术成就包括:
1. 金属纳米间隙结构的电磁场增强和表面增强光谱
电磁场增强效应是等离激元最基本的特性之一,是表面增强光谱增强的最主要原因。候选人及其合作者发现了金属纳米间隙结构的极强电磁场增强效应,并系统地研究了其产生机理和特性。
(a)发现了金属纳米颗粒间的纳米间隙能产生强烈的等离激元共振,具有巨大的电磁场增强效应,是产生单分子灵敏度的表面增强拉曼光谱的原因;在理论上系统地研究了单分子表面增强拉曼光谱的原理及产生条件,解释了表面增强拉曼光谱的主要机理,即等离激元共振耦合可使纳米间隙内的光强产生近百万倍的增强,同时金属纳米结构作为纳米天线可使拉曼散射的发射增强产生类似的近百万倍的增强,因而单个分子总的拉曼增强可以达到1011以上,从而达到可探测的水平。这一发现是单分子表面增强光谱和其它增强非线性效应的基础,也是最近发展起来的等离激元光学力、增强的光与物质相互作用、纳米光学天线和量子等离激元光子学等新研究方向的基础,引领了这些新兴领域的发展;美国物理学会2010年三月会议的一个主题分会(Z2:Plasmonic nanogaps)对由此发展起来的各种研究内容进行了专题研讨。论文发表在PRL 83 4357 (1999)和PRE 62 4318 (2000),已分别被SCI杂志引用1211次和885次,是单分子表面增强拉曼光谱和等离激元光子学领域的经典文献,其中PRL论文是1999年发表的所有PRL中引用最高的十篇文献之一,PRE论文是2000年
发表的所有PRE中引用最高的文献。
(b)发现了金属纳米颗粒间隙中的单分子拉曼散射的偏振方向受金属纳米结构的构型调制,金属纳米结构作为纳米天线可以旋转单个量子发光体发射光的偏振方向,从而实现纳米光源的偏振调节。结合对金属纳米间隙结构的表面增强拉曼光谱和激光偏振方向的关系的系统研究在实验上明确证实了通过金属纳米结构等离激元共振耦合产生的电磁增强是表面增强拉曼光谱的主要原因,澄清了表面增强拉曼光谱增强机制(电磁增强和化学增强)的长期争议。论文发表在Nano Letters 8, 2497 (2008),PNAS 105, 16448 (2008)和ACS Nano 3, 637 (2009),分别被SCI引用141次,105次和58次。
(c)利用银纳米线中传播的等离激元以及纳米线与纳米颗粒间等离激元共振耦合产生的巨大增强电场,在单分子水平上实现了表面增强拉曼散射的远程激发,这种激发方式为纳米尺度的光谱激发和探测提供了新方法和新思路。研究结果发表在Nano Letters 9, 2049 (2009),被SCI引用100次。
(d)成功自主研发了高真空针尖增强拉曼光谱系统,极大地提高了表面增强拉曼光谱的空间分辨率,观察到了有机小分子红外活性模式的拉曼增强,并发现了表面等离激元退激发而产生的热电子诱导的有机分子化学反应,把等离激元光子学拓展到化学反应领域。论文发表在Scientific Reports 2, 647 (2012)和Phys. Rev. E 87, 020401(R) (2013),分别被SCI引用45次和20次。该实验仪器在针尖增强拉曼光谱、等离激元催化化学反应、高真空弱光信号的原位提取等方面有重要作用。该仪器设计已经获得国家知识产权局的发明专利授权(专利号:ZL 2010 1 0228026.3)。
2. 等离激元在金属纳米波导及其网络中的传播特性和功能器件
等离激元的另一个重要特性是对光的强束缚,可以突破光的衍射极限,实现在纳米尺度上对光的操控,这一特点可用于光学器件的小型化和高密度集成。近五年候选人和他的研究组对金属纳米线波导特性开展了深入和系统的研究,做出了一系列原创性的工作,包括:首次利用金属纳米线等离激元波导构建纳米全光网络;首次实现基于等离激元的纳米光学路由器、完备逻辑门和半加器,并首次验证了等离激元逻辑功能的可扩展性等。这些工作被国际光学工程学会SPIE Newsroom邀请撰写专题报道,并且候选人因此获邀作国际会议邀请报告20余次(包括三次Keynote主旨报告)。
(a)一维金属纳米线波导中等离激元的传播特性
全面系统地研究了银纳米线波导中等离激元的激发、传播和发射特性,并揭示其主要机理,主要成果包括:发现传播的等离激元具有定向发射特性;通过对纳米线波导结构参数和激发方式的改变,实现了等离激元的手性传播以及发射光偏振特性的调控;发现等离激元的近场分布和传播模式强烈依赖于纳米线周围的介电环境,通过对介电环境的控制实现了对等离激元传播的调控;发现传播的等离激元和半导体量子点的激子可以相互激发和转化;实现了对金属纳米线上两个量子点产生的表面等离激元的分辨等。近五年候选人作为通讯作者发表相关SCI论文16篇,包括1篇PRL、1篇PNAS、5篇Nano Letters等,共被SCI引用428次,是研究纳米光芯片的重要基础性工作。
(b)金属纳米线波导网络及其单元功能器件
片上可集成的光信号处理技术可能是未来很有潜力的新型信息技术。候选人和他的研究组在世界上首先研制出系列完备的纳米全光逻辑器件、半加器和路由器,为进一步发展纳米光芯片奠定了基础。在纳米线网络结构中,通过控制结构参数、输入光的偏振和相位,调控等离激元在波导中的模式及其干涉特性,控制等离激元的近场强度和传播方向,从而控制输出端的光强。基于此实现了纳米尺度的光子路由器、不同波长光信号分离器和基本逻辑运算(与、或、非等)。另外,四终端的网络结构可以作为半加器实现两个二进制数的加法运算。相关结果发表在Nano Letters 10, 1950 (2010)和Nano Letters 11, 471 (2011),分别被SCI引用96次和68次。
(c)等离激元功能器件的集成
利用金属纳米波导网络中等离激元的干涉效应,通过单元器件或门和非门的级联实现了或非运算。利用量子点成像手段,揭示了该器件的工作机制,即非门控制端网络结点处的等离激元电场分布须调控成极大值,从而可以跟来自或门的等离激元信号实现很好的干涉,将或运算的结果反转,来实现或非运算。该工作首次证实了等离激元逻辑的可扩展性,为未来片上集成光信息处理技术提供新的可能性。研究结果发表在Nature Communications 2, 387 (2011),被SCI引用72次。

主要学术兼职:
Optics Express 副主编;
Nanoscale 副主编;
Scientific Reports 编委;
Nanophotonics 编委;
Frontiers of Physics 编委;
Chinese Science Bulletin 编委;
中国物理学会光散射专业委员会 委员;
中国材料研究学会纳米材料与器件分会 理事;
中国科学院物理研究所第十届学术委员会委员,第十一届学术委员会常务委员;
国家重大科学研究计划项目(2013CB922400)专家组成员;
国家重大科学仪器设备开发专项(2011YQ030124)技术专家组专家;
北京邮电大学理学院兼职教授。

近五年主要学术活动:
(1)担任国际学术会议的国际指导委员会委员或国际程序委员会委员10次,包括2009年、2011年和2013年的亚洲光谱会议(Asian Spectroscopy Conference),2011年、2013年和2015年的等离激元光子学国际会议(International Conference on Surface Plasmon Photonics),2012年、2013年和2014年的SPIE会议的等离激元光子学分会(Plasmonics: Metallic Nanostructures and Their Optical Properties 分会),2012年第十二届国际近场光学会议(The 12th International Conference on Near Field Optics, Nanophotonics and Related Techniques)。
(2)担任国际学术会议主席10次,包括2009年第九届国际量子结构中心年会,2009年和2011年ChinaNANO会议的纳米光学和等离激元光子学分会,2010年、2012年和2014年的等离激元光子学前沿国际会议(International Conference on Frontiers of Plasmonics),2010年中韩Photonics和Plasmonics研讨会(Sino-Korean Workshop on Photonics and Plasmonics),2010年第13届中美Kavli科学前沿论坛(Chinese-American Kavli Frontiers of Science Symposium),2013年等离激元光子学前沿国际研讨会(International Workshop of Frontiers of Plasmonics)、2013年纳米等离激元光子学国际研讨会(International Symposium on NanoPlasmonics),2014 年纳米材料与纳米器件国际研讨会(International Workshop on Nanomaterials and Nanodevices) 。
(3)担任国际会议当地程序委员会/组织委员会主席 2 次,当地程序委员会成员 1 次,分别为:2010年 The 11th International Conference on Near Field Optics, Nanophotonics and Related Techniques 当地程序委员会主席,2013 年国际量子结构中心年会组织委员会主席,2011 年ChinaNANO 会议当地程序委员会成员。
(4)在国际学术会议作邀请主旨报告(keynote talk)4 次,邀请报告(invited talk)38 次。
其他获奖及荣誉称号:
2005年 获中科院“百人计划”项目资助;
2006年 获国家杰出青年科学基金资助;
2008年 获任科技部重大科学研究计划项目首席科学家;
2010年 获第十一届中国青年科技奖;
2010年 中科院百人计划终期评估优秀;
2011年 获中科院朱李月华优秀教师奖;
2013年 获中国科学院青年科学家国际合作奖;
2013年 获中国物理学会饶毓泰物理奖;
2013年 获国务院政府特殊津贴;
2014年 长江学者特聘教授
已毕业博士研究生和出站博士后:
李志鹏 2008届博士,现为首都师范大学教授
陈佳宁 2008届博士(联合培养),青年千人,现为中科院物理研究所百人计划特聘研究员
杨志林 2009年出站博士后,现为厦门大学教授
魏红 2009届博士,现为中科院物理研究所副研究员,2014年基金委优青
黃映洲 2010届博士,现为重庆大学副教授
管志强 2010届春季博士,现为武汉大学副教授
李敬 2011年出站博士后,现为中科院理化技术研究所副研究员
Nate Grady 2011年出站博士后,现为美国橡树岭国家实验室博士后(美国人)
董斌 2011年出站博士后,现为大连民族学院教授
刘宁 2011年出站博士后 ,现在爱尔兰Limerick大学物理系助理教授
方蔚瑞 2011届博士,现为瑞典Chalmers理工大学博士后
王文慧 2011届博士 ,现为西安交通大学副教授
朱殷 2012届博士,现为中科院光电研究院副研究员
徐红星教授课题组主页:http://np.whu.edu.cn/
武汉大学纳米中心主页:http://nano.whu.edu.cn/
招收研究生情况:拟招4-5名硕博连读生,欢迎报考!
联系人: 张老师(招生),邹辞(其它事务)
联系方式: 027-68752219(招生),027-68752253(其它事务)
Email:spzhang@whu.edu.cn(招生),jeslove@126.com(其它事务)


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发表于 2018-3-24 11:28:39 | 显示全部楼层

近日,武汉大学物理科学与技术学院和高等研究院徐红星教授领导的研究团队在表面等离激元光学传感应用研究方面取得突破性进展,实现对纳米结构间距变化亚皮米(1皮米=10-12米)精度的精确测量。相关成果以Probing of sub-picometer vertical differential resolutions using cavity plasmons为题发表在国际知名期刊《自然·通讯》上。论文第一署名单位是武汉大学,武汉大学物理科学与技术学院博士生陈文和张顺平副教授为共同第一作者,徐红星教授为通讯作者。

    在相距几个纳米的两个金属纳米结构中,表面等离激元(导体中自由电子相对正离子背景的集体振荡的元激发)能够发生强烈的近场相互作用,导致剧烈的光散射与吸收。这种近场(尺度远小于光的波长)相互作用使得纳米结构的光散射共振波长随纳米结构的间距变化非常敏感,可以被用作超灵敏的纳米位移/距离的光学传感,因此被称为等离激元尺子(Plasmon Ruler)。这种等离激元尺子已被报道用于多种纳米材料和生物分子微弱变化的实时传感,如DNA链聚合,生物酶反应,分子吸附检测等。然而,已有报道距离变化的精度仅仅做到亚纳米的级别,满足不了对更精细更微弱的物理现象的探测与分析。

金属纳米线-间隙材料层-超光滑金膜组成的纳米腔结构及其表面等离激元共振模式的近场与远场性质

金属纳米线-间隙材料层-超光滑金膜组成的纳米腔结构及其表面等离激元共振模式的近场与远场性质
    图一 金属纳米线-间隙材料层-超光滑金膜组成的纳米腔结构及其表面等离激元共振模式的近场与远场性质。
    在此前研究中,该团队从理论上发现当两个靠近的金属纳米结构是平板结构时,存在一种随间距变化非常敏感的纳米腔表面等离激元共振模式,且其辐射损耗较小,用它作为等离激元共振传感可以达到灵敏度的理论极限值(Nanoscale, 2016, 8, 13722-13729)。在最新的工作中,研究团队设计了一种更容易制备的金属纳米线-间隙材料层-超光滑金膜的三明治复合平板纳米腔结构,通过观察这种纳米腔等离激元模式的散射峰的光谱移动来测定间隙材料层的微小厚度变化(图一)。为了演示该体系的传感灵敏性,研究团队选择一种聚合物纳米薄膜作为间隙材料层,改变样品的温度可使间隙材料层的厚度因热膨胀发生微弱的变化(图二)。通过排除热膨胀引起折射率变化产生的贡献,实验上证实了这种纳米腔等离激元传感器可以原位测定到亚皮米的厚度变化,比之前报道的等离激元尺子亚纳米精度高了几个数量级,创造了新的世界记录。此项工作将等离激元光学传感推进到了一个前所未有的灵敏度,对新型等离激元光学传感器在物理化学现象的超灵敏探测方面具有重要的应用意义。

利用纳米腔等离激元模式实现对间隙材料层亚皮米厚度变化的原位实时测量

利用纳米腔等离激元模式实现对间隙材料层亚皮米厚度变化的原位实时测量

    图二 利用纳米腔等离激元模式实现对间隙材料层亚皮米厚度变化的原位实时测量。

该工作得到了科技部和国家自然科学基金委项目的支持。

附:论文全文链接地址

https://www.nature.com/articles/s41467-018-03227-7


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发表于 2018-11-4 10:28:59 | 显示全部楼层
邀请讲座人: 徐红星 教授
简介:徐红星,武汉大学物理科学与技术学院教授,973项目首席科学家,长江特聘教授,2006年杰青,2010年获得中国青年科技奖,2013年获得饶毓泰物理奖,2016年获中国光学重要成果奖,2017年当选中国科学院院士。他长期从事表面增强光谱、等离激元光子学和纳米光学领域的研究工作:在实验上首次发现了金属纳米结构间隙的巨大电磁场增强效应,是超灵敏光谱传感的基础;首次实现了纳米光逻辑,开创了纳米光芯片研究的新方向;最近把等离激元共振的灵敏度提高到亚皮米精度。发表论文180余篇,SCI引用13000余次,单篇引用超过1000次的两篇(分别是1999年PRL,当年PRL被引最高的两篇文献之一;2000年PRE,当年PRE被引最高文献,被选为PRE的里程碑论文),单篇超过100次的37篇,h因子58;2014-2017年连续入选中国高被引学者榜。他已作国际会议邀请报告60余次;在等离激元光子学领域国际系列会议(SPP,NFO,SPIE,FOP)中,任FOP国际会议的大会主席,其它三大国际会议的程序委员会委员;最近任高登研究会议(GRC)Plasmonically-Powered Processes国际会议首届大会主席;曾任Nanoscale副主编,Optics Express副主编。
【报告题目】纳米等离激元光子学中的超灵敏传感和光子回路研究
时间:  10月10日 08:40- 09:10
地点:  新材料大楼材料学院第一会议室
摘要:
   表面等离激元是金属表面的自由电子在光作用下的集体振荡,可以把光场束缚在金属纳米结构表面,从而突破了传统的光的衍射极限,是纳米光学和表面增强光谱学等新兴领域的重要基础。相关的研究形成迅速发展的等离激元光子学。在本报告中,主要讲述等离激元在单分子表面增强光谱,纳米结构亚皮米精度表征和其它超级光学传感现象中的作用机理:金属纳米结构在光场的作用下能够产生强烈的等离激元共振,驱动金属纳米结构上的自由电子通过纳米间隙产生电磁耦合,将特定频率的光束缚在极其微小的空间中,产生巨大的电磁场增强效应及其它相关效应。另外一方面,光子作为信息的载体有着速度极快和容量巨大的优势,但由于光的衍射极限,光子器件的小型化和集成面临原理和技术的双重瓶颈。本报告也讲述表面等离激元在金属纳米线上传播的机理,及其实现纳米尺度的光子路由、纳米光逻辑和集成的原理,有望为发展纳米光信息处理技术和实现纳米光芯片奠定基础。


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发展中国家科学院(TWAS)第28届院士大会11月27日在意大利开幕。来自20个国家和地区的46位学者新当选TWAS院士,其中14位为中国大陆科学家。中科院院士、武汉大学徐红星入选。

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