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王培杰 教授
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所属学科 |
原子与分子物理、凝聚态物理 |
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研究方向 |
1、光与物质强相互作用（Light-matter strong interaction） 2、等离子体增强光谱（Plasmon enhanced spectroscopy, PES） 3、手性分子拉曼旋光（Raman Optical Activity,ROA）光谱研究 4、激光与原子分子相互作用及其非线性动力学研究 |
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招生方向 |
原子与分子物理、凝聚态物理 |
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联系方式 |
pjwang@cnu.edu.cn |
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王培杰，博士生导师。2003年清华大学物理系获理学博士学位，原子与分子物理专业。2003至2005年在清华大学高等研究中心做博士后工作，应用数学方向。2005年至2007年在德国马克思普朗克复杂系统所做博士后，激光与原子分子相互作用方向。2007年至今在首师大物理系任教。2014-2015年在美国乔治亚理工大学物理系做访问学者。目前本人主要研究光与物质强相互作用（等离子体激子耦合），等离子体增强光谱学，手性分子的拉曼旋光（ROA）光谱学，激光与原子分子相互作用及其非线性动力学，二维材料（TMDs）、石墨烯新奇物性及光谱特性，其中等离子体激子耦合及等离子体增强光谱学研究是重要特色； 通过承担课题，其中主持过4项国家自然科学基金面上项目，取得系列研究成果，共发表SCI论文60余篇，专利7项。
当前主持有国家自然科学基金面上项目，项目批准号：21872097，项目名称：表面等离子体-激子耦合驱动分子催化反应的SERS光谱研究，直接费用：65.00万元，项目起止年月：2019年01月至 2022年 12月。
《磁性量子理论》；《原子分子光子理论》（全英文授课）
拟招收硕士研究生3人，博士研究生1~2人
一、光与物质强相互作用（Light-matter strong coupling）
(1) Plexciton(Plasmon exciton coupling)引致的拉比分裂
图例1 Plexction引致的拉比分裂，(Nanophotonics (IF=7.1, 8(2019), 1835-1845))
鉴于金属（等离子体）与半导体（激子）的光学互补性及其在纳米尺度上对能量的可调控性,使得金属和半导体的复合纳米材料比单一的金属或半导体材料具有更好的光能捕获优势。等离子体具有局域的电磁振荡模式，并具备强的电磁能汇聚和增强光场能力，而激子（Exciton）具有寿命长的激发优点，二者的耦合（Plexciton）极大地提高了金属半导体复合材料及异质结构的光捕获能力。在此思路下，我们首先探究了等离子体与J聚体激子的相互作用，尤其是当二者的耦合作用增强时，使得体系产生拉比分裂。我们研究了Ag@Au空心纳米壳/J聚合异构结构的Plexction（Plasmon exciton coupling）强相互作用，获得了拉比分裂为225 meV，并与理论计算高度吻合。相应的成果发表在JCR一区国际期刊Nanophotonics (IF=7.1, 8(2019), 1835-1845)，同时我们又研究了Ag@Au空心纳米立方块/J聚合异构结构的Plexction（Plasmon exciton coupling）强相互作用，获得了拉比分裂为179 meV，并与理论计算高度吻合。相应的成果发表在了JCR二区国际期刊The Journal of Physical Chemistry C (IF=4.177, 126(2022), 10566-10573)上。进一步我们在室温下，通过构建单个Ag@Au空心纳米立方体(HNCs)与单层WS2组成的复合体系，实现了可调谐单纳米腔等离子体与激子耦合，观察到131.3meV的大真空Rabi劈裂，理论计算与实验结果相吻合。相应的成果发表在了JCR二区国际期刊Applied Physics Letters (IF=3.971, 2(2022), 021104)上。
图例2 二聚体纳米天线等离子体与单层MoS2激子相互作用, (ACS Applied Materials & Interfaces (IF=10.383, 14(2022), 23756-23764))
我们正在开展石墨烯及二维半导体材料（MXS2, X=Mo,W,Ta单层，双层及Moire 超晶格结构）的激子及荧光光谱特性研究，并构造金属纳米颗粒与二维半导体材料复合体系，进一步研究等离子体与激子的强相互作用及其机制。目前我们已经构建一个等离子体纳米线二聚体（NWD）系统，以此作为一种光学天线去点亮远离热点亚微米尺度处的emitter发射，该体系通过纳米线二聚体的等离子体间隙模式将光有效的捕获到近场，然后去激发远离热点亚微米处的emitter发射，随后被激发的emitter再次有效的耦合到了偶极间隙等离子体模上，被高效的发射出去，极大地提高了光电探测器的光响应率。相应的成果发表在了JCR一区国际期刊ACS Applied Materials & Interfaces (IF=10.383, 14(2022), 23756-23764）;
（2） Plexciton驱动的催化反应表面增强拉曼光谱（SERS，Surface Enhanced Raman Scattering）研究
图例3 SPR衰退产生热电子驱动分子催化反应(Nanoscale, 10 (2018), 18720–18727)
近年来,表面等离激元光催化作为表面催化科学的一崭新的研究方向,由于其低耗能和高产出的优势,近年来该领域研究获得了快速的发展, 表面等离子体催化的核心思想是：当光照射金属纳米结构时，可以激发纳米结构中的表面等离子体，表面等离子体可以通过局域共振获取电磁能，所吸收的能量除了转换成热能，其余的一部分可以转化到分子中以克服在等离子体驱动化学反应中的反应势垒，而等离子体激元驰豫过程中产生的热电子正好可以提供化学反应所需要的电子。本人作为该课题的主要通讯作者和设计者,首次报道了液相中等离子体驱动的分子催化反应，系列工作在Nature旗下的Scientific Reports上连续发表4篇文章(Sci. Rep., 4, 5407–7(2014); Sci. Rep., 4, 7221−6(2014); Sci. Rep.,5, 11920−10(2015)； Sci. Rep., 6, 20458−9(2016))，成功实现了在水溶液中的等离子体（衰变成热电子）有序驱动的不可逆化学反应。为进一步研究由光驱动水溶液中的等离子体催化化学提供了新的方向和参考。进一步，我们还实现了单根纳米线上激发光偏振依赖的等离子体驱动的催化反应（Nanoscale (IF:7.233, 10(2018), 18720–18727)。纳米线与石墨烯形成的等离子体间隙模驱动的催化反应研究(Nanophotonics, IF：7.4, (2020), DOI: 10.1515/nanoph-2020-0319)。
鉴于金属与半导体的光学互补性及其在纳米尺度上对电磁能的可调控性,使得金属和半导体的复合纳米材料比单一的金属和半导体材料具有更好的光催化优势。我们进一步开展了Plexciton驱动的分子催化反应SERS研究，为研究Plexciton耦合机理提供了新的光谱手段。相应的成果作为Rapid communication文章，发表在国际拉曼专刊J. Raman Spectrosc., 2017, 48, DOI: 10.1002/jrs.5199.
二、表面等离子体调控研究
图例4 表面等离子体调控J. Mater. Chem., (2012)22,24006–24011
表面等离子体纳米结构是目前国际上光学与工程技术研究的热点领域。本课题采用激光烧蚀物理方法，结合化学合成方法 获得各类壳层结构的纳米颗粒及纳米棒，实现对不同波长敏感的新型表面等离子体材料,并且通过改变纳米颗粒的形貌(尖端形貌,壳核结构等),实现了表面等离子体共振的调谐,该种材料有望被广泛应用于表面等离激元超敏感探测器以及生物上癌症、肿瘤的表面等离激元热治疗，等离子体诱导光催化反应。本人作为第一作者和通讯作者，系列工作发表在材料和工程一区及等离子体专刊上（J. Mater. Chem., 22,24006–24011(2012)； Plasmonics, 7, 509-513 (2012); Crystengcomm, 15, 5114-5118 (2013)；Plasmonics,11,1511–1517(2016).; Plasmonics, (2017) DOI 10.1007/s11468–016–0482–0).）
三、等离子体增强拉曼光谱（SERS、TERS）研究
图例5 石墨烯人为缺陷可逆操控TERS研究
等离子体增强拉曼散射是利用金，银等纳米结构的表面等离子体共振使得拉曼峰强极度增强的现象（包括表面增强拉曼散射SERS和针尖增强拉曼散射TERS），这使得拉曼光谱的探测灵敏度得到了极大的提高，因此它是良好的以光子做探针的、实时实地的、高灵敏度地研究单分子的光谱技术,对于揭示单分子层次上的物理和化学的基本规律，生命科学，材料科学以及单分子器件的研究具有重要意义。我们长期专注于SERS与TERS研究，并开发了一套先进的、具有部分自主知识产权的纳米针尖表面等离子体增强激光耦合系统，并在该系统下以石墨烯的TERS观察为指标，首次实现了石墨烯上人为缺陷的可逆控制操作，为石墨烯的人为缺陷制造及其纳米电子功能器件的应用研究提供了新方法。本人作为第一作者和通讯作者，相应的系列研究成果发表在包括碳材料和光谱国际专刊上（Carbon, 6 5, 359-364 (2 0 1 3 )，Journal of Raman Spectroscopy, 44,1273-1276 (2013) ； Chemical Physics Letters, 556,146-150 (2013) ；Plasmonics，7，555–561 (2012)；RSC Advances , 2,12160-12163 (2012) ）。
四、手性分子拉曼旋光光谱（ROA）及表面增强拉曼旋光光谱（SEROA）研究
图例6 手性分子与其镜像示意图
手性是宇宙间的普遍现象之一，手性问题涉及到生命的起源以及各种生命体的生存和演化。对于一个分子，如果它的构型不能与其自身的镜像相吻合，则称此分子具有手性。手性分子具有光学活性（Optical Activity, OA，也称光学旋光性），在光的散射方面，主要指的手性分子的同一个振动模对于左、右园偏振的激光具有不同的拉曼散射截面,被称为拉曼光学活性（Raman Optical Activity, ROA），习惯上称拉曼旋光。 在手性分子的拉曼旋光光谱研究方面，本方向在国家自然科学基金资助下，系统地研究了不同手性分子的立体构型，并着重从拉曼峰强出发，获得分子的键极化率及微分键极化率，首次提出了分子内镜像对映结构概念，并阐明了其旋光拉曼产生的机理。我们进一步利用表面增强技术进行表面增强拉曼旋光光谱研究，这是当前光散射研究领域的国际前沿之一。相关的旋光拉曼研究成果发表在手性研究国际期刊和拉曼光谱期刊上（Journal of Raman Spectroscopy, 42, 186–191（2011）；Chemical Physics 393,140-147 (2012)；Chiralty, 25,600-605(2013)；Journal of Raman Spectroscopy, 42, 1303–1309（2015））; Vibrational Spectroscopy，(2020）106, 102988-5.
五、强场中原子与分子非线性动力学研究
图例7 庞加莱截面上显示的向不变环面（Torus）逼近的周期轨迹（Physical Review E (2018), 98）
阿秒激光脉冲技术的发展打开了超快激光物理研究的大门。氢原子，氦原子及氢分子离子作为自然界最为简单的原子和分子在这项研究中扮演了重要的角色。我们拟研究阿秒、飞秒激光脉冲作用下氢原子，氦原子及锂原子的光电离（Photon Ionization），高次谐波产生（HHG），稳定性特性，氢分子离子的解离，以及解离过程中电子在两个原子核上的分布等课题。由于在强激光作用下，上述体系的非线性效应增强，更凸显利用经典方法解决有关原子与分子物理问题的优势。通过求解哈密顿正则运动方程，获得电子和原子核在不同初始条件（位置和动量）下的运动轨迹，并利用周期轨迹及混沌理论， 庞加莱截面，稳定和不稳定流型，李雅普诺夫指数等参量揭示其动力学过程，获得清晰的物理图像和解释。相应的工作发表在Physical Review E (2018), 98, 042204; Physical Review A (2015)91:023406； Chinese Physics B，(2010)19：113201-6； Chinese Physics B, (2009)18(12):5291； Physical Review Letters, (2008) 100(6): 063002.。
1. [PDF Download] Ze Li, Qingzhang You, Hui Wang, Lisheng Zhang, Duan Zhang, Shangtong Jia, Yan Fang and Peijie Wang*, Nanowire dimer optical antenna brightens the surface defects of silicon，Nanophotonics, (2023) https://doi.org/10.1515/nanoph-2022-0742. (*corresponding author)
2. [PDF Download] Qingzhang You, Ze Li, Yang Li, Lilong Qiu, Xinxin Bi, Lisheng Zhang, Duan Zhang, Yan Fang, and Peijie Wang*. Resonance Photoluminescence Enhancement of Monolayer MoS2 via a Plasmonic Nanowire Dimer Optical Antenna ACS Applied Materials & Interfaces 2022 14 (20), 23756-23764. (*corresponding author)
3. [PDF Download] Yang Li, Xinxin Bi, Qingzhang You, Ze Li, Lisheng Zhang, Yan Fang, and Peijie Wanga* . Strong coupling with directional scattering features of metal nanoshells with monolayer WS2 heterostructures Appl. Phys. Lett. 121, 021104 (2022). (*corresponding author)
4. [PDF Download] XinXin Bi, Ze Li, CongCong Zhang, QingZhang You, Yang Li, YiRu Wang, and PeiJie Wang*. Strong Coupling of Ag@Au Hollow Nanocube/J-Aggregate Heterostructures by Absorption Spectra The Journal of Physical Chemistry C 2022 126 (25), 10566-10573. (*corresponding author)
5. [PDF Download] Ze Li, Yan Pan, Qingzhang You, Lisheng Zhang, Duan Zhang, Yan Fang and Peijie Wang* Graphene-coupled nanowire hybrid plasmonic gap mode–driven catalytic reaction revealed by surface-enhanced Raman scattering DOI:10.1515/nanoph-2020-0319. (*corresponding author)
6. [PDF Download] Hongru Yang, Peijie Wang*, Guozhen Wu*, The Raman optical activity of pinane as compared with (-)α- and (-)β- pinene: The perspective of intramolecular enantiomerism, Vibrational Spectroscopy, (2020)106, 102988-5.
7. [PDF Download] Linchun Sun , Ze Li, Jingsuo He and Peijie Wang*，Strong coupling with directional absorption features of Ag@Au hollow nanoshell/J-aggregate Hetero-structures, Nanophotonics, (2019), 8, 1835-1845. (*corresponding author)
8. [PDF Download] Ze Li, Yanan Gao, Lisheng Zhang, Yan Fang and Peijie Wang *, "Polarization-dependent surface plasmon-driven catalytic reaction on a single nanowire monitored by SERS", Nanoscale, (2018), 10, 18720–18727. (*corresponding author)
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11. [PDF Download] Peijie Wang, Wen Liu, W. Lin and M. Sun, "Plasmon-Exciton Co-driven Surface Catalytic Reaction inElectrochemical G-SERS". J. Raman Spectrosc., (2017), 48, DOI: 10.1002/jrs.5199. (Rapid communication)
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