表面等离激元是在入射光的驱动下金属纳米结构中的自由电子相对于金属核集体振荡的一种行为,并能够使金属纳米结构表现出一系列新的光学性质,如可见光的选择性吸收和散射、局域电磁场增强以及能将电磁波的能量局域到亚波长范围等。自2010年,基于等离子体衰减产生热电子驱动表面化学反应被发现以来引起了科研工作者极大的关注。同时鉴于表面增强拉曼散射(SERS)效应能够有效提供分子的指纹信息以及高灵敏性检测的优点,该项技术已经成功的被应用于化学反应实时检测。后来经研究发现等离子体衰减产生的热电子在表面催化反应中起关键作用,但是电子的转移效率往往不会超过1%,而这从本质上影响了化学反应的效率和产率。因此,如何提高电子的转移效率成为了提高化学反应效率的关键因素所在,同时这也成为了目前等离激元驱动化学反应所面临的一大难题。随着人们不断深入的探索,等离激元-激子耦合共同驱动催化反应的设想引起了科研工作者的极大的兴趣,基于这样的设想,很多的金属纳米结构与半导体复合结构的材料被制备,并且也已经很成功地被应用到了催化反应的领域当中。近年来,等离激元与激子的耦合相互作用以及对于等离激元-激子-光子三者间的转化效率在理论与实验方面都进行了充分的研究。从理论方面讲,等离激元与激子的耦合存在两种形式,分别为弱耦合和强耦合。在两者发生强耦合的情况下会产生能量劈裂的现象我们称这种现象为Rabi分裂,分裂的同时会产生两个新的杂化态,而能量会在产生的两个杂化态之间往复振荡,此时表面等离激元和激子的两者的能量曲线呈反交叉的形式。另外对于我们所熟悉的表面等离激元增强吸收、增强拉曼散射、增强荧光以及荧光淬灭等现象,此时两者的波函数间不存在微扰,这时的等离激元与激子的耦合我们称之为弱耦合。本论文中我们构造了石墨烯/银纳米颗粒的复合体系用于研究表面催化反应。石墨烯自被发现以来,因其自身所具有的独特性质引起了广泛的关注,并且被一直用作进行SERS研究的衬底材料。而现在把等离激元与石墨烯两个独特的领域结合到了一起,并应用于石墨烯-等离激元共同驱动表面化学反应的领域中。并且在该复合衬底上通过测量得出热电子的转化效率较之前相比是其8.7倍,并且通过实验结果表明石墨烯能够显著增加“俘获”银纳米颗粒表面等离激元衰减产生热电子的能力,与此同时,热电子的态密度能够被有效的积累并且热电子寿命能够从飞秒延长到皮秒,进而达到提高化学反应的效率和产率的目的。本论文的主要研究集中在石墨烯/银纳米颗粒复合衬底上利用SERS技术监测的等离激元驱动对硝基苯硫酚分子的聚合反应。主要研究工作如下:1.首先介绍了等离激元和局域表面等离激元的基本定义。局域表面等离激元以及激子的特性与应用在第一章节中都进行了系统的介绍。2.我们以自发辐射为例,系统的讲解了等离激元与激子的相互作用的概念和其两种不同的耦合形式及其物理机制,并且给出如何判别不同耦合形式的方法。最后,对于等离激元与激子耦合在表面催化反应领域的应用,我们进行了总结并给出了该设想应用到驱动表面化学反应领域中的理论依据。3.我们构建了单层石墨烯与银纳米颗复合结构,介绍了该复合结构的制备方法并给出了该复合结构进行了一系列的光学表征。我们将这种复合衬底应用到了表面催化反应的研究中,最后发现该衬底就有很好的SERS效果的同时也有利于表面催化反应的进行。4.该复合体系也被当作衬底应用到了利用电学进一步调节表面催化反应效率的研究当中,等离激元与激子的相互作用在该杂化体系下也进行了系统的研究,并尝试利用调控电压(栅极电压和偏置电压)的方式来达到控制表面催化反应的目的。实验结果表明,表面化学反应不仅可以通过激子-等离子体耦合进行调控,还可以通过偏置电压(电流)和栅极电压进行控制。栅极电压可以用来达到调控导带中热电子态密度的目的,偏置电压能够使邻近费米面的热电子具有更高的动能。最后我们发现栅极电压和偏置电压都具有提高在等离激元-激子耦合驱动表面催化反应中进一步提高化学反应产率和效率的能力。