文档介绍：中国科学技术大学
博士学位论文
金属纳米颗粒及其聚合物复合薄膜的光学特性研究
姓名:陶俊
申请学位级别:博士
专业:光学
指导教师:明海;鲁拥华
2011-05
摘要
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 :1 时的
216nm/RIU 提高至 :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=。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
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平方依赖关系,即:ISERS∝cos θ。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
I
摘要
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 :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=。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。
关键词:金属纳米颗粒局域表面等离子体共振传感表面增强拉曼散射非
线性光学
II
Abstrcat
ABSTRACT
The researches on optical characteristics and its applications of metal
nanoparticles are always