金属纳米颗粒及其聚合物复合薄膜的光学特性研究

论文摘要

金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振（Localized surface plasmon resonance: LSPR）光学特性及其应用一直是十分活跃的研究课题。在共振时,金属纳米颗粒周围的局域电场得到极大的增强,而且共振波长对周围介质的折射率非常敏感。基于这些特性,金属纳米颗粒在光学传感、表面增强拉曼散射（SERS）、增强复合材料的光学非线性系数等方面有着广泛的应用。本论文从理论和实验方面对金属纳米颗粒,尤其是金纳米棒及其聚合物复合薄膜的光学特性展开了研究。本论文的主要研究工作和所取得的成果如下:1.利用化学方法制备了多种不同形状和尺寸的金和银的纳米颗粒,如纳米球、纳米立方体、纳米棒、纳米线等,并通过透射电子显微镜（TEM）,扫描电子显微镜（SEM）和紫外-可见分光光度计等仪器对样品进行了形貌特征和光谱特性的表征。2.从Gans理论出发研究了金纳米棒的基本光学性质:LSPR共振峰位置与长径比或周围介质的介电常数之间的关系;理论分析了长径比对金纳米棒的折射率传感灵敏度的影响并进行了实验验证。实验结果表明,随着纳米棒长径比的增加,其折射率传感的灵敏度近似线性地提高,从长径比为2.5:1时的216nm/RIU提高至4.2:1时的352nm/RIU。实验结果与离散偶极子近似（DDA）的计算结果相吻合。分析了长径比分散性对金纳米棒纵向LSPR共振峰宽度的影响,通过计算长径比单一分布和正态分布的金纳米棒的消光谱发现,由于长径比的正态分布,金纳米棒的纵向LSPR共振峰展宽了约3倍;3.实验上制备了金纳米棒聚乙烯醇复合薄膜,并通过拉膜的方法使掺在薄膜中的金纳米棒取向一致;研究了拉伸长度对金纳米棒有序参数的影响。实验结果表明,将复合薄膜拉伸至原长度的6倍时,有序参数为:S3D=0.72。通过将探针分子掺入上述复合薄膜,研究了偏振依赖的表面增强拉曼散射特性。实验结果表明,探针分子特征振动模式的表面增强拉曼散射信号强度明显依赖于入射光偏振与金纳米棒长轴之间的夹角, SERS信号与偏振角的余弦成平方依赖关系,即:ISERS∝cos2θ。结合数值计算,从金纳米棒的局域场增强效应和金纳米棒的天线辐射特点两个角度对实验结果进行了理论分析,给出了自洽的物理图象解释。4.利用激光Z扫描的方法在532nm处研究了金纳米棒溶胶及其聚乙烯醇复合薄膜的三阶非线性光学特性。实验结果表明金纳米棒溶胶及其复合物均呈现出三阶非线性光学性质,而没有掺杂金纳米棒的纯聚乙烯醇薄膜则没有明显的非线性现象,且聚合物薄膜的三阶非线性光学极化率比溶胶状态高出约2个数量级。最后从三阶非线性极化率增强的理论模型出发对实验结果进行了分析与解释。本论文的创新点主要包括:1.实验研究了金纳米棒的折射率传感的灵敏度与长径比之间的关系。结果表明:在一定范围内,金纳米棒的折射率传感的灵敏度与长径比成正比。在实验中,长径比为4.2:1的金纳米棒的折射率灵敏度可达352nm/RIU。这些研究为设计基于金纳米棒的LSPR传感器具有一定的参考价值。2.基于Gans理论研究了金纳米棒的长径比分散性对其LSPR共振峰宽度的影响。分析指出由于长径比的正态分布,金纳米棒的纵向LSPR共振峰比长径比单一分布时展宽了约3倍。3.定量研究了拉伸长度对聚乙烯醇薄膜中金纳米棒有序参数的影响。将复合薄膜拉伸为原长度的6倍以后,有序参数为S3D=0.72。在此基础上,提出了这种拉伸后的复合薄膜可作为一种有效而且成本低廉的SERS基底,用于偏振依赖的表面增强拉曼散射研究并进行了实验验证。结合金纳米棒的天线辐射特性与局域场增强特性对偏振依赖SERS的实验结果给出了自洽的物理图象解释。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 金属纳米颗粒的光学理论基础
• 1.1.1 准静电近似理论
• 1.1.2 米氏散射理论
• 1.1.3 离散偶极子近似方法
• 1.2 金属纳米颗粒的制备及实验研究方法
• 1.2.1 金属纳米颗粒的制备方法
• 1.2.2 金属纳米颗粒的实验研究方法
• 1.3 局域表面等离子体的应用研究概述
• 1.3.1 局域表面等离子体共振在光学传感中的应用研究
• 1.3.2 基于金属纳米颗粒的表面增强拉曼散射研究
• 1.3.3 金属纳米颗粒复合聚合物材料的三阶非线性光学性质研究
• 1.4 本论文的主要研究内容和章节安排
• 参考文献
• 第二章 金属纳米颗粒的制备和表征
• 2.1 化学合成方法的原理
• 2.1.1 种子生长法的反应原理
• 2.1.2 多元醇还原法的反应原理
• 2.2 化学法制备不同形状的金属纳米颗粒
• 2.2.1 种子生长法制备不同形状的金纳米颗粒
• 2.2.2 多元醇还原法制备不同形状的银纳米颗粒
• 2.3 本章小结
• 参考文献
• 第三章 金纳米棒的 LSPR 传感特性研究
• 3.1 金属纳米棒LSPR 折射率传感特性的理论分析
• 3.1.1 金属纳米棒光学性质的Gans 理论
• 3.1.2 长径比对金属纳米棒折射率传感灵敏度影响的理论分析
• 3.2 金纳米棒LSPR 传感特性的实验研究
• 3.2.1 长径比对金纳米棒折射率传感灵敏度影响的实验研究
• 3.2.2 长径比分散性对金纳米棒LSPR 共振峰宽度的影响
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 第四章 金纳米棒-聚乙烯醇复合薄膜的光学性质及其在表面增强拉曼散射方面的应用
• 4.1 金纳米棒-聚乙烯醇复合薄膜的光学性质
• 4.1.1 金纳米棒-聚乙烯醇复合薄膜的制备及表征
• 4.1.2 拉伸长度对金纳米棒有序参数的影响
• 4.2 基于金纳米棒-聚乙烯醇复合薄膜偏振依赖的表面增强拉曼散射研究
• 4.2.1 SERS 基底的制备及实验测量光路
• 4.2.2 入射光的偏振方向对SERS 信号的影响
• 4.3 本章小结
• 参考文献
• 第五章 金纳米棒-聚乙烯醇复合薄膜的三阶非线性光学性质研究
• 5.1 Z 扫描测量三阶非线性系数的基本原理
• 5.2 金纳米棒溶胶及其聚乙烯醇复合薄膜的三阶非线性光学性质研究
• 5.2.1 Z 扫描实验光路及其校准
• 5.2.2 金纳米棒溶胶的三阶非线性光学性质研究
• 5.2.3 金纳米棒聚乙烯醇复合薄膜的三阶非线性光学性质研究
• 5.3 本章小结
• 参考文献
• 第六章 论文总结与展望
• 6.1 主要研究工作
• 6.2 展望
• 攻读博士学位期间发表和完成的学术论文
• 致谢