金屬納米顆粒及其聚合物復(fù)合薄膜的光學(xué)特性研究.pdf

1、金屬納米顆粒的局域表面等離子體共振(Localized surface plasmon resonance，LSPR)光學(xué)特性及其應(yīng)用一直是十分活躍的研究課題。在共振時(shí)，金屬納米顆粒周圍的局域電場得到極大的增強(qiáng)，而且共振波長對周圍介質(zhì)的折射率非常敏感。
　　 基于這些特性，金屬納米顆粒在光學(xué)傳感、表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)、增強(qiáng)復(fù)合材料的光學(xué)非線性系數(shù)等方面有著廣泛的應(yīng)用。本論文從理論和實(shí)驗(yàn)方面對金屬納米顆粒，尤其是金納米棒及

2、其聚合物復(fù)合薄膜的光學(xué)特性展開了研究。
　　 本論文的主要研究工作和所取得的成果如下：
　　 1.利用化學(xué)方法制備了多種不同形狀和尺寸的金和銀的納米顆粒，如納米球、納米立方體、納米棒、納米線等，并通過透射電子顯微鏡(TEM)，掃描電子顯微鏡(SEM)和紫外-可見分光光度計(jì)等儀器對樣品進(jìn)行了形貌特征和光譜特性的表征。
　　 2.從Gans理論出發(fā)研究了金納米棒的基本光學(xué)性質(zhì)：LSPR 共振峰位置與長徑比或周圍介質(zhì)的

3、介電常數(shù)之間的關(guān)系；理論分析了長徑比對金納米棒的折射率傳感靈敏度的影響并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著納米棒長徑比的增加，其折射率傳感的靈敏度近似線性地提高，從長徑比為2.5：1 時(shí)的216nm/RIU 提高至4.2：1 時(shí)的352nm/RIU。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與離散偶極子近似(DDA)的計(jì)算結(jié)果相吻合。分析了長徑比分散性對金納米棒縱向LSPR 共振峰寬度的影響，通過計(jì)算長徑比單一分布和正態(tài)分布的金納米棒的消光譜發(fā)現(xiàn)，由于長徑比的正態(tài)分布，

4、金納米棒的縱向LSPR 共振峰展寬了約3倍；
　　 3.實(shí)驗(yàn)上制備了金納米棒聚乙烯醇復(fù)合薄膜，并通過拉膜的方法使摻在薄膜中的金納米棒取向一致；研究了拉伸長度對金納米棒有序參數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將復(fù)合薄膜拉伸至原長度的6倍時(shí)，有序參數(shù)為：S3D=0.72。通過將探針分子摻入上述復(fù)合薄膜，研究了偏振依賴的表面增強(qiáng)拉曼散射特性。
　　 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，探針分子特征振動模式的表面增強(qiáng)拉曼散射信號強(qiáng)度明顯依賴于入射光偏振與金納米

5、棒長軸之間的夾角，SERS 信號與偏振角的余弦成平方依賴關(guān)系，即：ISERS ∝cos2θ。結(jié)合數(shù)值計(jì)算，從金納米棒的局域場增強(qiáng)效應(yīng)和金納米棒的天線輻射特點(diǎn)兩個(gè)角度對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了理論分析，給出了自洽的物理圖象解釋。
　　 4.利用激光Z 掃描的方法在532nm 處研究了金納米棒溶膠及其聚乙烯醇復(fù)合薄膜的三階非線性光學(xué)特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明金納米棒溶膠及其復(fù)合物均呈現(xiàn)出三階非線性光學(xué)性質(zhì)，而沒有摻雜金納米棒的純聚乙烯醇薄膜則沒有明顯

6、的非線性現(xiàn)象，且聚合物薄膜的三階非線性光學(xué)極化率比溶膠狀態(tài)高出約2個(gè)數(shù)量級。最后從三階非線性極化率增強(qiáng)的理論模型出發(fā)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析與解釋。
　　 本論文的創(chuàng)新點(diǎn)主要包括：
　　 1.實(shí)驗(yàn)研究了金納米棒的折射率傳感的靈敏度與長徑比之間的關(guān)系。結(jié)果表明：在一定范圍內(nèi)，金納米棒的折射率傳感的靈敏度與長徑比成正比。在實(shí)驗(yàn)中，長徑比為4.2:1的金納米棒的折射率靈敏度可達(dá)352nm/RIU。這些研究為設(shè)計(jì)基于金納米棒的LSP

7、R 傳感器具有一定的參考價(jià)值。
　　 2.基于Gans 理論研究了金納米棒的長徑比分散性對其LSPR 共振峰寬度的影響。分析指出由于長徑比的正態(tài)分布，金納米棒的縱向LSPR 共振峰比長徑比單一分布時(shí)展寬了約3倍。
　　 3.定量研究了拉伸長度對聚乙烯醇薄膜中金納米棒有序參數(shù)的影響。將復(fù)合薄膜拉伸為原長度的6倍以后，有序參數(shù)為S3D=0.72。在此基礎(chǔ)上，提出了這種拉伸后的復(fù)合薄膜可作為一種有效而且成本低廉的SERS基底，