納米金屬結(jié)構(gòu)與納米氧化鋅薄膜的熒光增強(qiáng)效應(yīng)研究.pdf

1、近十年來，金屬和熒光物質(zhì)的相互作用已經(jīng)成為最熱門的研究領(lǐng)域之一。當(dāng)入射光與亞波長尺寸的金屬和熒光基團(tuán)作用時(shí)，金屬產(chǎn)生的等離子體可以增強(qiáng)其附近熒光物質(zhì)的發(fā)光強(qiáng)度。對于金屬附近的激發(fā)態(tài)熒光物質(zhì)，局域電場的增強(qiáng)是由于金銀亞波長尺寸顆粒的光學(xué)散射截面比其幾何散射截面大很多倍引起的。熒光物質(zhì)和金屬顆粒附近等離子激元的相互作用也會引起熒光物質(zhì)輻射速率的加快。金屬結(jié)構(gòu)與熒光物質(zhì)的相互作用不僅會增強(qiáng)其附近熒光物質(zhì)的發(fā)光效率，降低熒光物質(zhì)的熒光壽命，提高

2、熒光物質(zhì)的輻射速率和改善發(fā)光物質(zhì)的光穩(wěn)定性，而且這種熒光增強(qiáng)效應(yīng)對熒光物質(zhì)的種類沒有明確的要求。它不僅可以增強(qiáng)有機(jī)染料分子的熒光強(qiáng)度，還可以提高各種發(fā)光物質(zhì)比如氧化鋅薄膜、半導(dǎo)體量子點(diǎn)和稀土發(fā)光物質(zhì)等的發(fā)光效率。金屬增強(qiáng)熒光復(fù)合結(jié)構(gòu)的成功制備在生物研究領(lǐng)域?qū)⒖梢源蠓忍岣邿晒馓綔y的效率，為臨床醫(yī)學(xué)診斷提供更容易更高效的探測方式；在半導(dǎo)體發(fā)光領(lǐng)域，將大大提高半導(dǎo)體發(fā)光器件發(fā)光效率，達(dá)到節(jié)能減排的目的。本論文的研究工作將基于金屬和熒光相互作

3、用的特性，設(shè)計(jì)納米金屬／熒光物質(zhì)復(fù)合材料，利用金屬表面產(chǎn)生的等離子體激元來提高復(fù)合材料的發(fā)光效率和改善復(fù)合材料的發(fā)光性能。
　　 在第一章中，將詳細(xì)介紹金屬和熒光的相互作用的物理機(jī)制，并介紹了常見的理論計(jì)算數(shù)值模擬方法：米理論，DDA數(shù)值模擬和時(shí)域有限差分法。按金屬增強(qiáng)熒光的效應(yīng)以及金屬的不同結(jié)構(gòu)把金屬增強(qiáng)熒光分成三類：金屬增強(qiáng)熒光，表面等離子體激元耦合發(fā)光和等離子體激元調(diào)控?zé)晒?，并逐一介紹它們的特點(diǎn)。此外還介紹了常見的增強(qiáng)熒光

4、的金屬，主要是金，銀和鋁，并對它們的應(yīng)用做了簡介。本章最后給出了本論文的研究內(nèi)容和意義。
　　 在第二章中，我們用磁控濺射的方法室溫下在硅襯底上生長了厚度不同的氧化鋅和中間銀層組合的氧化鋅／銀復(fù)合薄膜。在750攝氏度下退火一個(gè)小時(shí)后，我們發(fā)現(xiàn)復(fù)合薄膜的紫外發(fā)光強(qiáng)度嚴(yán)重受銀初始中間層厚度的影響。在退火過程中，銀島狀薄膜收縮變?yōu)殂y納米顆粒并沿著氧化鋅晶粒間界向上擴(kuò)散。納米金屬顆粒的局域等離子體激元和氧化鋅紫外發(fā)光的耦合可以提高氧化鋅

5、的紫外發(fā)光效率。當(dāng)開始銀中間層厚為10nm時(shí)，退火后相對于沒有中間銀層的樣品，我們得到了最大為12倍的紫外發(fā)光增強(qiáng)，但是同時(shí)銀納米顆粒的形成以及擴(kuò)散會損傷氧化鋅的結(jié)晶質(zhì)量，特別是銀顆粒尺寸比較大的情況，結(jié)晶質(zhì)量的下降會降低氧化鋅紫外發(fā)光的強(qiáng)度?？傊?，復(fù)合薄膜紫外發(fā)光強(qiáng)度受銀顆粒局域等離子體激元增強(qiáng)效應(yīng)和銀顆粒擴(kuò)散損傷氧化鋅結(jié)晶質(zhì)量的效應(yīng)共同制約。
　　 第三章中，我們發(fā)現(xiàn)納米氧化鋅薄膜像納米金屬薄膜一樣也可以增強(qiáng)三種染料分子的熒

6、光強(qiáng)度，而且增強(qiáng)的幅度大概在10倍左右。通過嚴(yán)格的對比試驗(yàn)，我們確認(rèn)了納米氧化鋅薄膜上染料分子熒光強(qiáng)度的增強(qiáng)并不是它吸附了更多的染料分子，納米氧化鋅薄膜的確可以增強(qiáng)熒光。我們測試了所有樣品的熒光壽命譜，并且對樣品的熒光壽命譜進(jìn)行了擬合分析。然而我們并沒有發(fā)現(xiàn)納米氧化鋅基片上染料分子的熒光壽命縮短，這說明氧化鋅增強(qiáng)熒光和金屬增強(qiáng)熒光的物理機(jī)制應(yīng)該有所區(qū)別，金屬增強(qiáng)熒光往往會導(dǎo)致熒光分子熒光壽命縮短。納米氧化鋅基片相對于納米貴金屬基片，其制

7、備成本低廉和制備方法簡單，可以作用大規(guī)模應(yīng)用的熒光探測增強(qiáng)的的廉價(jià)基片。
　　 第四章中，我們設(shè)計(jì)了一種包含有機(jī)熒光基團(tuán)和金屬核殼新的探針結(jié)構(gòu)(PFP)，金屬核殼結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)金屬等離子體共振吸收峰，可以同時(shí)增強(qiáng)光的吸收和發(fā)射。通過理論計(jì)算我們發(fā)現(xiàn)，這種PFP結(jié)構(gòu)使得外來入射光對熒光體的激發(fā)速率以及熒光體的發(fā)射效率都提高了100倍以上，因此理論上最大可獲得10000倍的發(fā)光增強(qiáng)效應(yīng)。PFP致力于解決制約熒光探測的主要問題，即單探針