纳米尺度光热效应及其应用的研究

发布时间：2020-07-24 13:58

【摘要】：近年来等离激元光子学成为学术研究的热点。等离激元是光场与自由电子相互作用形成的共振模式,多形成于贵金属与介质之间。在过去二十年间,科学家在理论和实验两方面取得大量进展,通过理论设计与生长/加工技术调控颗粒尺寸、材料、几何形状,从而进一步控制其光学及相关特性。局域表面等离激元会在颗粒附近很小的局域内产生近场增强,从而使得金属纳米颗粒的散射和吸收同时增加,因此很多金属纳米颗粒有很强的吸收效率,在入射光的照射下,光能转变为热能,光热效应在生物医疗、光热成像、金属纳米材料的自组装、光热操控等领域有着广泛的应用,但是微观结构的等离激元光热传输仍有很多规律需要探索,因此,在本论文中我们对不同金属微纳结构的光热传输进行了研究,并讨论其在生化检测与局域温度测量中的应用。本论文具体内容如下:(1)对影响金属纳米颗粒光热效应的因素的研究。通过模拟单个金属纳米颗粒置于衬底不同位置的温度分布,得知改变衬底的结构可以有效的提高金纳米颗粒的温度,为了使温度能迅速上升,形成局域高温,需要使金属纳米颗粒聚集分布,产生聚集效应,同时考虑一些占空比大的纳米结构,所以等离激元光热转换器可以考虑通过设计多孔的微纳结构来实现。(2)研究Au/AAO结构的光热效应及其在表面辅助激光解吸附/离子化质谱(SALDI-MS)中的应用。SALDI效率的提升主要是由孔径尺寸、光吸收、热传导和热容等因素导致的。大孔径的Au/AAO相比小孔径Au/AAO基底显示出较少的分析物碎片。Au/AAO作为SALDI-MS衬底的高效证明了其是优秀的等离激元光热转换器,其中一小部分因素是由于光吸收,而主要原因是其孔径尺寸对热传导的影响。(3)通过研究微纳尺度热传导的规律,校准基于扫描荧光光谱的扫描热显微镜。测量温度与未被扰动样品之间温度差异的影响因素主要是针尖尺寸、针尖与样品的间隙、加热功率和热源尺寸。不同因素对相对温度差异的影响是不同的。改变针尖尖端半径和针尖与热源之间的间隙,相对温度差异波动约10%,而热源功率和热源尺寸对相对温度差异有很大影响。通过仿真结果,我们可以认为样品在温度不太高且选定的荧光纳米颗粒尺寸远小于样品的情况下,这种温度测量方法是行之有效的。另外我们还模拟了探针扫描过程,并用线性显式公式进行了温度预测。定量地测量了温度误差,更好地实现基于扫描荧光光谱的扫描热显微镜的温度测量。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1
【图文】：

等离激元,振荡模式

图１．１三种等离激元的振荡模式逡逑．１体等离激元逡逑金属内部的入射光子会受到电场的扰动，从而在其内部形成纵向的体等离子逡逑振荡，由上文我们所提到的，可以直接将边界条件代入到麦克斯韦方程中，从逡逑得到体等离子体振荡的振荡频率为：逡逑ｃｏ］＝—逦（１－１）逡逑￥逡逑其中ｎ为自由电子数密度，ｍ为电子质量，＆为真空介电常数，＾为电量。逡逑Ｄｒｕｄｅ模型中金属的介电常数是一个复数，复数的虚部即为其衰减项，可以用逡逑式表不为：逡逑＾（？）邋＝邋１７＾—逦（Ｌ２）逡逑（0邋＋ｉｙｃｏ逡逑

电荷分布,金属纳米颗粒,入射光,局域

白天时杯子呈现出绿色，到了晚上就会变成红色。这就是因为杯子上嵌入逡逑的金纳米颗粒与５３２ｎｍ的绿光发生共振，白天时显示出绿色的散射光，晚上看到逡逑是红色的透射光，如图１．３所示。逡逑ｋｕ邋（逡逑ｊ逡逑图１．３不同入射光下的莱库格斯杯呈现不同的颜色逡逑金属纳米颗粒中的局域表面等离ｆ体共振是多个自由电ｆ在入射光场下的共逡逑振的耦合，金属纳米颗粒中的电子云会随着入射光的作用发生位移，金属表面的逡逑库仑作用力会对此产生一个回复力，使其像弹簧振子一样产生振动，形成局域的逡逑共振［２０］。这种振荡的频率会受到电子密度、电荷分布的现状大小、有效电子质Ｍ：逡逑等影响。因此在不同的介电环境和金属纳米颗粒中，金属纳米颗粒会显示不同颜逡逑色的散射光。逡逑如图１．４，根据电磁学的知识，入射光波长远大于金属纳米颗粒尺寸时，可以逡逑近似为准静电场，可以推导出颗粒极化率为［２１］：逡逑￡邋＿邋￡逡逑ａ＝Ａｎａｙ邋￣—逦（１．１１）逡逑＾邋＋邋２心逡逑

电荷分布,表面等离激元,局域,光入射

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