貴金屬納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性和利用表面等離子體增強(qiáng)光學(xué)效應(yīng)的研究.pdf

1、表面等離子體因?yàn)槠洫?dú)特的性質(zhì)，如表面局域和近場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)特性，可廣泛用于生物傳感器、成像、太陽(yáng)能電池和納米尺度的光電器件等領(lǐng)域。金屬納米結(jié)構(gòu)，尤其是貴金屬納米結(jié)構(gòu)的光譜性質(zhì)實(shí)際上可以反映表面等離子體的光學(xué)性質(zhì)。因此，貴金屬納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)引起了科學(xué)研究人員的極大興趣。
　　 本文系統(tǒng)地介紹了表面等離子體的發(fā)展歷史、特性、應(yīng)用以及有關(guān)貴金屬納米結(jié)構(gòu)光學(xué)性質(zhì)的研究進(jìn)展。研究了具有創(chuàng)新性的電子束刻蝕法制備的貴金屬(銀和金)納米結(jié)構(gòu)的光

2、學(xué)性質(zhì)和應(yīng)用。本文的主要研究成果和結(jié)論如下：
　　 1.研究了室溫、空氣氣氛下放置的銀納米棒的不穩(wěn)定性。在室溫、空氣氣氛下放置的銀納米棒隨著放置時(shí)間的增加，其消光光譜出現(xiàn)了紅移、寬化和衰減。我們將掃描電子顯微鏡觀察和理論模擬兩種途徑相結(jié)合，用以分析消光光譜產(chǎn)生這些變化的原因，得到的結(jié)果將光譜變化歸因于銀的硫化和銀納米棒的結(jié)構(gòu)破壞。我們也討論了銀納米棒長(zhǎng)寬比對(duì)其光譜變化產(chǎn)生的影響。
　　 2.為了解決銀的不穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)并制

3、備了由銀、金組成的雙層納米棒結(jié)構(gòu)。這是首次利用電子束刻蝕法成功制備銀/金雙層納米結(jié)構(gòu)。金層在銀層的上面。對(duì)這種雙層納米棒的光學(xué)性質(zhì)做了研究。與單層銀納米棒相比，上面覆蓋有金層時(shí)，納米棒的L模式的消光光譜發(fā)生藍(lán)移，T模式的消光光譜發(fā)生了紅移。對(duì)銀/金雙層納米棒的局域場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)因子也做了模擬研究，其最大值僅為單層銀納米棒的一半。我們也討論了銀/金雙層納米棒的長(zhǎng)寬比對(duì)其光譜的影響。
　　 3.由于金的價(jià)格比較貴，所以我們用比金便宜且具有

4、很好的抗腐蝕性能的鈦取代金，將它覆蓋在銀納米棒表面。我們不僅研究了這種雙層納米棒的光學(xué)性質(zhì)，還進(jìn)一步研究了鈦層的厚度對(duì)銀納米棒的保護(hù)作用的影響。我們發(fā)現(xiàn)表面有鈦層的銀納米棒在室溫、空氣氣氛中放置2－3個(gè)月后，其消光光譜和形貌沒(méi)有明顯變化。這說(shuō)明鈦層可以有效地保護(hù)銀，從而穩(wěn)定局域在銀納米結(jié)構(gòu)的表面等離子體的性質(zhì)。
　　 4.我們用理論模擬方法系統(tǒng)地討論了構(gòu)成金納米蝴蝶結(jié)結(jié)構(gòu)的金三角形的頂角角度大小和兩個(gè)頂角相對(duì)的等腰三角形問(wèn)的反饋

5、間隙大小對(duì)局域在金蝴蝶結(jié)納米結(jié)構(gòu)的局域表面等離子體共振波長(zhǎng)，消光系數(shù)和局域近場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)的影響。并且發(fā)現(xiàn)用電子束刻蝕法制備的金納米蝴蝶結(jié)的消光光譜與模擬結(jié)果基本符合。這個(gè)研究可以指導(dǎo)我們?cè)O(shè)計(jì)局域表面等離子體共振峰在我們所需波長(zhǎng)或局域近場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)最大的金屬納米蝴蝶結(jié)結(jié)構(gòu)。
　　 5.利用局域在貴金屬納米結(jié)構(gòu)的局域表面等離子體增強(qiáng)發(fā)光和拉曼散射。我們觀察到摻在摩爾組成為60SiO2-20Al2O3-20CaF2-0.3Tb3+-20Y

6、b3+的徼晶玻璃內(nèi)的Tb3+離子在微晶玻璃表面有銀納米棒區(qū)域測(cè)得的發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)了1.6倍左右。通過(guò)局域表面等離子體峰與Tb3+離子的激發(fā)波長(zhǎng)的匹配和在Tb3+離子的激發(fā)及發(fā)射波長(zhǎng)處的局域近場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的模擬研究，我們認(rèn)為Tb3+離子的發(fā)光增強(qiáng)歸因于局域近場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)對(duì)銀納米棒結(jié)構(gòu)附近的Tb3+離子的作用，以及局域表面等離子體與銀納米棒附近的Tb3+離子的對(duì)應(yīng)于其激發(fā)能量的7F6 to5D4躍遷的耦合。此外，我們還對(duì)利用局域表面等離子體來(lái)實(shí)現(xiàn)拉曼