液态金属纳米液滴的等离激元光吸收效应

来源：中国激光

液态金属是一种不定型、可流动的非晶合金材料，其独特的形态其实是金属在急冷凝固时原子来不及有序排列，从而得以在室温或低温下保留无序结构的凝聚状态。

这种非晶态原子结构使液态金属具有很多独特的性能，如优异的导电性、导热性、延展性、可塑性、耐压性等。其中Hg是最常规的液态金属，但是其剧毒和易挥发严重限制了应用价值。相比之下，Ga基液态金属合金因其无毒性、无挥发的高稳定性而备受关注，其在柔性电子元件、3D打印电路、自修复生物材料、药物传送等应用已是国际上的研究热点，在电子信息、能源和医疗领域正展示非凡的潜力。液态金属也被证实具有优异的等离激元光学性能，但是在光学领域的应用前景迄今鲜有报道。

 制备的GaInSn纳米液滴的微观形貌及尺寸均匀性

有鉴于此，近期南京大学祝世宁院士团队的徐金龙研究员和谢臻达教授（共同通讯作者）制备了GaInSn液态金属纳米液滴，并对其局域等离激元共振（LSPR）的非线性吸收特性进行了系统的研究，并该研究成果发表在Chinese Optics Letters第18卷第11期（Tianqi Zhang, et al., Liquid metal as a broadband saturable absorber for passively Q-switched lasers）。

研究发现，由于液态金属的高流动性，纳米液滴聚集成膜后，在相互作用力下形变成各种各样的形状，每种形状对应于不同的LSPR微腔结构和共振频率，宏观上叠加成覆盖紫外~中红外波段的超宽带LSPR吸收，显著宽于常规的金银等贵金属纳米结构。

 液态金属纳米液滴自组装卡通形象

特别的，与金银相比，GaInSn纳米液滴还具有自组装的核壳结构。由于Ga具有很高的化学活性，纳米液滴表面的Ga原子在空气中会被氧化成原子层厚度、高阻抗的Ga2O3壳层，把自由电子的振荡局域在膜内部，隔绝了纳米液滴相互接触时的电子流动，大量液滴聚合成膜时仍保持个体的LSPR频率不变，这避免了组装大尺寸薄膜后LSPR效应的衰减，保证了高效宏观光学效应的实现。基于此，文章作者进一步展示了纳米液滴薄膜的LSPR宽带非线性饱和吸收效应，以及分别在1.3µm和2µm全固态脉冲激光中的应用。

GaInSn纳米液滴相比贵金属纳米结构具有成本低、制备容易等优点，其优异的等离激元效应在高速全光调制、超快激光产生、太阳能全光谱光热转化、光热治疗等领域也具有非常广阔的应用前景。