金屬納米顆粒及其聚合物復合薄膜的光學特性研究.pdf

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

2、其聚合物復合薄膜的光學特性展開了研究。
　　 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-可見分光光度計等儀器對樣品進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性質：LSPR 共振峰位置與長徑比或周圍介質的

3、介電常數之間的關系；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行了實驗驗證。實驗結果表明，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 時的216nm/RIU 提高至4.2：1 時的352nm/RIU。實驗結果與離散偶極子近似(DDA)的計算結果相吻合。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，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.實驗上制備了金納米棒聚乙烯醇復合薄膜，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的影響。實驗結果表明，將復合薄膜拉伸至原長度的6倍時，有序參數為：S3D=0.72。通過將探針分子摻入上述復合薄膜，研究了偏振依賴的表面增強拉曼散射特性。
　　 實驗結果表明，探針分子特征振動模式的表面增強拉曼散射信號強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系，即：ISERS ∝cos2θ。結合數值計算，從金納米棒的局域場增強效應和金納米棒的天線輻射特點兩個角度對實驗結果進行了理論分析，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合薄膜的三階非線性光學特性。實驗結果表明金納米棒溶膠及其復合物均呈現出三階非線性光學性質，而沒有摻雜金納米棒的純聚乙烯醇薄膜則沒有明顯

6、的非線性現象，且聚合物薄膜的三階非線性光學極化率比溶膠狀態(tài)高出約2個數量級。最后從三階非線性極化率增強的理論模型出發(fā)對實驗結果進行了分析與解釋。
　　 本論文的創(chuàng)新點主要包括：
　　 1.實驗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系。結果表明：在一定范圍內，金納米棒的折射率傳感的靈敏度與長徑比成正比。在實驗中，長徑比為4.2:1的金納米棒的折射率靈敏度可達352nm/RIU。這些研究為設計基于金納米棒的LSP

7、R 傳感器具有一定的參考價值。
　　 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的影響。將復合薄膜拉伸為原長度的6倍以后，有序參數為S3D=0.72。在此基礎上，提出了這種拉伸后的復合薄膜可作為一種有效而且成本低廉的SERS基底，