基于纳米Ag-水凝胶的三维等离子激元晶体的光学性能及pH响应

发布时间：2019-09-27 04:45

【摘要】：光子晶体因可以实现对入射电磁波有效的操控而被广泛的应用于生物化学传感等方面,但由于光子晶体本身的局限性,并不能实现对微弱信号的精准操控,而金属等离子激元是一种表面波,可以实现对特定入射频率的电磁波强度的放大,利用金属等离子激元的这种效应,制备了一种新型的纳米微结构,这种微结构即具有光子晶体的特性又能激发金属等离子激元,可以实现对微弱信号精准的操控,我们称这种特殊的纳米微结构为金属等离子激元晶体。相比于一维和二维的金属等离子激元晶体,三维的结构有着更加优异的光学性能,金属银可以在300-1200nm的波长下都可激发强烈的等离子激元效应,因此研究中我们以采用水凝胶辅助解离三维连续银纳米结构去制备三维非连续银等离子激元晶体,并采用电磁仿真与实验光谱测试去分析其光学性能。具体如下:(1)三维银等离子激元晶体的制备。以胶体晶体为模板,水凝胶为基,采用恒压电化学抛光,设置抛光参数为6V,0.02s,抛光30-80圈后将三维连续的银纳米微结构解离,通过扫描电子显微镜表征的表面与截面图,确定得到了三维非连续银等离子激元晶体;研究表明抛光电流与银等离子激元晶体被解离的程度存在内在的联系,因此可以通过抛光电流的变化去判断解离的进程,实现了抛光解离过程的可控。(2)三维银等离子激元晶体光学性能的研究。对于晶体光学性能的研究,我们采用电磁模拟仿真和实验光谱仪测试去得到银等离子激元晶体的透射、反射光谱,并研究了各个参数改变对晶体的光谱的影响,为之后的应用做好理论基础。研究结果显示:当模板粒径从220nm变化至380nm时,反射光谱中由纳米银颗粒阵列衍射共振形成的波峰从500nm红移至900nm,且呈现线性规律性的变化;仿真了模板粒径为394nm的晶体在不同抛光度下的光谱,当抛光度为从0%变化至21.8%时,反射光谱从没有明显的反射峰到有突出的反射峰,透射率从0%变化至80%以上,因此非连续结构的三维结构呈现出更加优异的光学性能;同一模板粒径,同一抛光度下,当晶体内部填充水凝胶的折射率每增加0.1,晶体光谱的反射峰位红移60nm,晶体对内部填充物的折射率响应非常灵敏;仿真了不同模板层数的银等离子激元晶体的光谱响应情况,结果显示当模板层数由4层变化至6层时,因法布里珀罗干涉形成的峰呈现规律的移动;通过电磁仿真得到的能带图与场强分布图以及光谱随不同模板粒径和抛光度的变化情况,我们确定了布拉格晶体衍射和法布里珀罗干涉等效应在光谱上表现。(3)pH响应传感器的研究。首先我们在银等离子激元晶体中填充pH敏感型水凝胶,这种水凝胶在不同pH值下会呈现出不同的溶胀程度,水凝胶的溶胀会改变晶体原有的结构,在其光谱上也会有响应。实验中当滴加的pH值由8变化至12时,晶体的反射峰位由490nm移动到了 590nm。
【图文】：

共振模型

交通大学硕士专业学位论文逦引言逡逑体共振的一种光学现象。２００８年在Ｓｔｅｗａｒｔ，，Ｍ．Ｅ发表的文章中将表面等离子激逡逑振分为两种模式：（ｉ）表面等离子体极化激兀（ＳｕｒｆａｃｅＰｌａｓｍｏｎｉｃ邋Ｐｏｌａｒｉｔｏｎｓ，ＳＰＰｓ）逡逑（ｉｉ）局域表面等离子共振（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ邋Ｓｕｒｆａｃｅ邋ＰｌａｓｍｏｎｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅｓ，ＬＳＰＲｓ，）邋？下逡逑分别介绍ＬＳＰＲｓ与ＳＰＰｓ。逡逑⑴局域表面等离子共振逡逑银、金、铜等金属纳米颗粒具备较大负实部和较小的正虚部，外层的自由电子逡逑被激发，当入射到金属纳米颗粒上的电磁波波长要远远的比金属纳米颗粒的逡逑大时，在电磁场的激发下，金属颗粒表面的自由电子与电磁场耦合并发生集体逡逑荡，当集体震荡的频率与入射光频率相当时，发生共振我们称这种共振为局域逡逑等离子共振。逡逑

示意图,金属表面,透射峰,示意图

Ｖ￥ａｖｅｌｅｎｇｔｈ邋｜ｎｍ）逦．逡逑图１－３薄Ａｇ膜上的孔洞的零级透射光谱［１３】＋逡逑Ｆｉｇ．邋１邋－３邋Ｔｈｅ邋ｚｅｒｏ邋ｏｒｄｅｒ邋ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ邋ｓｐｅｃｔｒａ邋ｏｆ邋ｔｈｉｎ邋Ａｇ邋ｆｉｌｍ邋ｈｏｌｅｓ邋［１３］逡逑由图１－３我们可以看到，除了在紫外区域出现尖锐的峰谱，在可见和红外的区逡逑域还有一些频谱较宽透射峰。如果将在这些透射峰全都归结于小孔之间的衍射增逡逑强，而不考虑ＳＰＰｓ的作用是不合理的，因为出现了波峰的位置大于晶格常数的位逡逑置，在Ａ邋＞ａＱ的位置，即没有孔阵列之间的干涉也没有单个空洞的衍射影响。在逡逑４逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O734

【参考文献】