金属/介质核壳结构界面对抑制荧光淬灭与荧光增强的研究

发布时间：2021-08-25 16:02

　　近年来,利用金属微纳结构的等离激元模式与荧光分子或量子点等发光体发生耦合作用,从而调制其发光过程的研究受到了广泛关注,在生物传感、光通讯以及集成光子学等方面有重要的应用前景。发光体的荧光产生通常包括激发和发射两个过程。由于在等离激元模式激发时,金属微纳结构表面可以产生很大的局域电场增强,当发光体处于这些电场“热点”位置时,其激发过程就可以得到相应的增强。但是当发光体和金属微纳结构过于靠近时,发光体中处于激发态的电子也能通过非辐射跃迁的方式与金属微纳结构中的高阶等离激元模式耦合,最终能量转为欧姆损耗,从而降低荧光发射过程的效率,甚至发生荧光淬灭。因此在等离激元增强荧光辐射的研究中,为了获得最大化的荧光辐射强度,往往需要平衡激发增强和荧光淬灭两个效应。基于此,我们通过在金属微纳结构表面包覆一层介质膜,研究了金属/介质界面对处于金属表面的荧光分子的激发和发射过程的影响。本论文的研究内容主要包括以下两个方面:首先,我们通过理论与模拟计算研究了处于金属表面的荧光分子的激发和辐射过程,发现在金颗粒外部引入介质膜层可以在金属/介质界面获得局域电场增强,从而提高荧光分子的辐射量子产率。相比于未包覆的金... 

【文章来源】：南京大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：65 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

(a)金属纳米颗粒产生LSPR的原理示意图；(b)直径为20nm的金纳米颗粒在共振状态下的电场分布

第一章绪论2图1-1(a)金属纳米颗粒产生LSPR的原理示意图；(b)直径为20nm的金纳米颗粒在共振状态下的电场分布。（图引自参考文献[4,5]）等离激元的共振模式随着金属微纳结构的形貌、尺寸和材料[6]等方面的不同会发生明显的变化，这给人们通过化学合成[7]、刻蚀[8]等手段制备独特的金属结构来操控金属附近的局域电场提供了有效途径。通过分析金属结构受到激发时的场强分布，可以知道金属结构可以支持一阶或更高阶的等离激元模式。一般我们认为当金属颗粒尺寸与入射光波长相近时，金属颗粒中高阶模式会占据主导地位，此时主要表现出对电磁波的较大的吸收；当金属的尺寸远小于激发光波长时，由于散射面积增大，颗粒通常表现为电偶极共振，此时主要表现出对电磁波的散射[9]。图1-2描述了金属颗粒不同尺寸和形貌状态对共振频率的影响，可以看出颗粒尺寸越大时共振波长会偏向红波长移动，并且尺寸相近的颗粒由于形貌的差别也会带来共振波长的显著移动。图1-2尺寸和形貌不同对银纳米颗粒LSPR共振波长的影响。（图引自参考文献[10]）

第一章绪论3当两个或多个颗粒的间距较近时会产生强烈的近场耦合，从而发生能级劈裂或者高阶衍射模式[11]。因此通过微纳结构设计，利用近场耦合效应可以在这些双（多）纳米颗粒的间隙内获得巨大的电场增强，也就是所谓的“热点”[12]。人们利用这个效应将分子置于间隙位置获得了1014-1015的拉曼散射增强因子[13]，这为通过拉曼散射检测单分子提供了可能。此外通过Ar离子的刻蚀获得尖锐的颗粒形貌[14]，实现“尖端效应”，进一步提高了结构周围的局域电场强度。利用这个优势在刻蚀形成的“蝴蝶结”结构中，报道了超过103单分子荧光的增强[15]。图1-3(a)金属纳米颗粒间通过距离控制间隙内的拉曼增强因子。(b)Ar-刻蚀得到的尖锐银纳米针状结构作为拉曼增强基底(c)金纳米“蝴蝶结”结构实现巨大的单分子荧光增强。（图引自参考文献[12,14,15]）除了在金属中广泛存在等离激元性质，在一些重掺杂的半导体材料由于内部拥有大量载流子而表现出金属性质，例如ReO3型的氧化物，碲化物或氮化物[16][17]等半导体纳米晶在可见至近红外波段有明显的等离激元消光性质。对于石墨烯这类二维材料而言，由于其具有较高的电子迁移速率因此同样在近红外到太赫兹波段存在等离激元共振模式[18][19]。

【参考文献】：
期刊论文
[1]表面等离激元研究新进展[J]. 王振林.  物理学进展. 2009(03)



本文编号：3362426