光功能型杂化等离子体纳米材料的研究

发布时间：2017-05-03 20:13

  本文关键词：光功能型杂化等离子体纳米材料的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：贵金属纳米材料所激发的表面等离子体(SPR)性质在小型化光学器件、传感、光通讯以及药物筛选和诊断等领域展示出了非常大的应用潜力,因此受到人们越来越广泛的关注。表面等离子学是一门新兴的学科,它主要研究电磁波与贵金属之间的相互作用,其中对于贵金属纳微米材料表面等离子共振现象的本质的研究一直是这一领域的重点。通过研究贵金属纳米材料的结构与其光学性质之间的关系,科学家们致力于解释表面等离子共振现象背后的物理及化学本质。由于等离子材料的光学性质与纳米结构有着密切的关系,为了得到某种特殊的光学性质,科学家们会花费大量精力去制备新型的纳米结构。进一步的研究发现,不同形貌的金属纳米结构能够产生不同的等离子体共振模式。例如,单个的贵金属纳米粒子及其组装体能够激发局域表面等离子体共振(LSPR),其光学性质取决于粒子的尺寸、形状及化学组成等。不同于是实心的金属粒子,纳米壳是由介电质核和围绕在核周围的金属外壳组成的,金属纳米壳所激发的等离子体共振是通过控制内核和外壳的直径进行调节的。如果金属壳的壳层极其薄,那么外壳和空腔所激发的等离子体可以发生耦合,这会导致等离子体共振峰发生分裂,从而产生很独特的杂化模式。近来,关于金属壳的研究受到了人们的广泛研究。科学家们通过设计不同形状的空腔来获得新的光学性质。具有对称性破坏的球形空腔已经被系统地研究,通过调节结构参数能够得到杂化的等离子体-光子共振(Hybrid Plasmonic-Photonic Resonances)或法诺共振(Fano Resonances)。对于圆柱状的纳米球壳也有一定的研究,通过调节金属层的厚度以及内核和外壳的直径,能过直接激发暗模等离子体共振(Dark Plasmonic Resonances)。这些新型的光学性质能够用来增强和限域SPR能量或者能够提高传感器效果的高品质因子。因此,开发一种廉价、高效、通用的方法制备不同形状的纳米壳是很有必要的,因为这些结构也许能够产生新颖的光学性质。在第二章中,我们利用简单的胶体刻蚀技术制备了一种银的中空锥台阵列膜,它能够激发杂化等离子体模式。中空锥台阵列膜具有一个锥台状的空腔,外面包着一层银壳,它就像一个倒着放置的杯子。这种具有空腔的独特结构能够使锥台状的外壳与空腔的表面等离子体模式产生耦合得到杂化的等离子体共振。具有不同结构参数结构的透射光谱,随着纳米空腔体积的减小,共振峰发生蓝移。中空锥台阵列膜内部含有空腔并且能够增强局域电磁场强度,这些都导致它具有高效的传感性能,同时也为它在其他领域的应用提供了基础。这种结构膜对周围环境折射率的改变有很高的灵敏度,同时也有很好的线性响应。此外,中空锥台阵列膜也可以用做表面增强拉曼散射(SERS)基底,其检测限可以达到10~(-9) M。在第三章中,我们将研究另一种能够激发杂化等离子体共振模式的方法,即基底诱导杂化。我们将已经制备好的中空纳米锥台阵列膜利用简单的转移、倒置过程,使其倒置在基底上,最终在基底上形成了纳米杯阵列膜。由于基底的存在,金属纳米壳上部分和下部分的介电常数存在差异,这导致锥台状纳米壳模式与空腔等离子体模式相杂化。由于这种共振的产生使结构具有很好的折射率传感和表面拉曼增强的散射的效果。此外,杂化等离子体共振的产生使纳米杯内外电磁场分布产生差异,从而使其在空间选择传感器(Spatial Selective Sensor)方面有着广阔的应用前景。
【关键词】：胶体刻蚀 表面等离子体共振 杂化等离子体模式 纳米结构
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-44
• 第一节 贵金属纳微材料13-25
• 1.1.1 表面等离子体共振性质13-17
• 1.1.2 常见表面等离子体共振性质简介17-22
• 1.1.2.1 球形纳米粒子17
• 1.1.2.2 棒状纳米粒子17-18
• 1.1.2.3 圆盘形和三角板形纳米粒子18-20
• 1.1.2.4 纳米孔阵列及其光学异透现象20-22
• 1.1.3 等离子体杂化体系22-25
• 1.1.3.1 纳米球壳的等离子体杂化体系23-24
• 1.1.3.2 对称性破坏诱导等离子体杂化24-25
• 第二节 贵金属纳微材料的制备25-38
• 1.2.1 溶液相合成26-28
• 1.2.2 自上而下刻蚀28-29
• 1.2.3 胶体刻蚀29-36
• 1.2.3.1 胶体晶体模板32
• 1.2.3.2 入射角可控的胶体刻蚀技术32-33
• 1.2.3.3 方位角可控的胶体刻蚀技术33-34
• 1.2.3.4 微球表面构造图案34-35
• 1.2.3.5 胶体刻蚀技术的扩展35-36
• 1.2.4 其他非传统刻蚀方法36-38
• 第三节 等离子体纳米材料的应用38-42
• 1.3.1 基于球－球耦合的比色传感器38-39
• 1.3.2 基于折射率变化的无标记光学检测39-41
• 1.3.3 表面增强光谱41-42
• 第四节 论文选题及设计思路42-44
• 第二章 基于胶体刻蚀的中空纳米锥台阵列及其光学性质研究44-57
• 第一节 引言44-45
• 第二节 实验部分45-47
• 2.2.1 实验材料45
• 2.2.2 中空纳米锥台阵列的制备45-46
• 2.2.3 FDTD模拟46
• 2.2.4 仪器设备46-47
• 第三节 结果与讨论47-55
• 2.3.1 中空纳米锥台阵列制备过程的调控47-48
• 2.3.2 形貌表征48-49
• 2.3.3 光学性质的研究49-53
• 2.3.4 等离子传感器和表面增强拉曼散射的应用53-55
• 第四节 本章小结55-57
• 第三章 纳米杯阵列的制备及其光学性质研究57-67
• 第一节 引言57-58
• 第二节 实验部分58-60
• 3.2.1 实验材料58
• 3.2.2 纳米杯阵列膜的制备58-59
• 3.2.3 FDTD模拟59
• 3.2.4 仪器设备59-60
• 第三节 结果与讨论60-66
• 3.3.1 纳米杯阵列的制备与形貌表征60-61
• 3.3.2 纳米杯阵列的光学性质研究61-62
• 3.3.3 纳米杯阵列膜的光学性质62-64
• 3.3.4 空间选择传感器（Spatial Selective Sensor）的应用64-66
• 第四节 本章小结66-67
• 结论67-68
• 参考文献68-78
• 作者简历78
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果78-80
• 致谢80-81

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