论文部分内容阅读
亚波长周期性微结构金属簿膜(又称表面等离激元晶体,plasmonic crystal,PC)及其表面等离激元(surface plasmon,SP)激发、传播所引起的丰富而独特的光学性质是当前凝聚态物理、材料科学、信息科学交叉领域的研究热点之一。
论文围绕准三维表面等离激元晶体的制备和光学特性,以单分散胶体微球自组装形成的胶体晶体为模板,通过物理或电化学生长方法,获得由特定形貌金属纳米颗粒相互连接而成的有序阵列微纳结构;通过改变结构单元的形状、尺寸、以及所处介质环境,实现在近红外/可见光波段对表面等离激元共振光学特性的调控。进一步利用表面等离激元激发下的局域电场增强效应,研究体系对环境折射率变化的敏感性,探索准三维表面等离激元晶体在化学和生物传感方面的应用可行性。主要内容包括以下几个方面:
1、采用胶体晶体模板辅助方法,在单层六角密堆排列的聚苯乙烯微球表面真空溅射金属薄层,通过这种方法形成的金属膜是一种具有二维周期微孔阵列,并且表面具有周期性起伏的准三维结构(称之为准三维表面等离激元晶体)。论文详细研究了可见光区此类体系的光共振透射效应,以及共振峰位置随微球尺寸、周围介电环境折射率、表面单分子层吸附、衬底所承载介质厚度变化的光谱移动特性。研究表明,微球的尺寸减小时体系主透射峰出现蓝移,且满足线性标度关系。而对于一定直径(如d=419 nm)胶体微球制备的表面等离激元晶体,随着所处背景折射率的增加,体系的共振峰出现红移;移动量与折射率增加呈线性关系。实验测得体系对环境折射率变化的敏感度为106.7 nm/RIU(RIU为每折射率变化单位)。利用硫醇自组装单分子层修饰金属表面后体系的共振峰显示出4nm的光谱红移。实验证明了这种借助自组织胶体晶体所获得的表面等离激元晶体作为检测单分子层的性能,以及在单分子层测量方面的传感应用可行性。
2、采用二氧化硅微球组成的胶体晶体为衬底,在溅射一层金膜之后,进一步通过化学方法腐蚀去除模板,可以得到由金纳米空心半球壳组成的新型准三维表面等离激元晶体。论文研究了这种体系的光学性质,以及增强透射峰随背景环境(溶液)折射率变化的移动特性。实验发现,在去掉支撑的胶体微球模板之后,由金空心半球壳构成的准三维表面等离激元晶体不仅仍具有增强透射效应,而且表现出了更高的传感效应。采用d=1.58μm的SiO2微球为模板,位于λ=1251 nm的共振主峰的敏感度达到1192.3 nm/RIU,比没有去除胶体晶体之前的体系提高了5倍,其传感的综合指标好于目前国际上采用微加工技术所制备的其它类型的表面等离激元晶体。研究进一步揭示出,这一敏感度增强的物理根源是:在胶体微球存在时,体系的主峰是位于介质微球区域传播的SP激发所引起,电场增强主要集中在胶体晶体之中;在去除介质球之后,金属膜上下表面的折射率完全相同,使得两侧的表面等离激元由于能量差异减小而形成强烈耦合,产生的局域增强电场绝大部分位于支撑衬底上方,减小了传统二维表面等离激元晶体的衬底效应。论文借助平整金属膜的表面等离激元色散公式的近似估计和三维有限时域差分方法的数值模拟计算,给予了验证。论文的工作为未来利用此类表面等离激元晶体制作高性能、低成本的化学生物传感器件奠定了理论和实验上的基础。
3、利用准三维表面等离激元晶体的增强透射峰对外界环境折射率变化的敏感特性,采用具有双折射性质的液晶作为填充背景,研究了在外加电场作用下表面等离激元晶体光学性质的电调控特性。液晶具有“电-光效应”使得其折射率随电场的改变而变化。实验上观测到在外加电场作用下,液晶折射率各向异性变化导致准三维表面等离激元晶体增强透射的位置发生移动,共振峰的幅值也发生改变。
4、采用二次模板复制技术与电化学沉积相结合的方法,制备出一系列形貌可控的金属(银、金、铜、镍)纳米颗粒有序阵列。这种方法以SiO2胶体晶体为初次模板,经过物理沉积在模板表面形成相互连接的金属半球壳阵列作为电极,再结合聚苯乙烯填充和对初始模板的腐蚀,得到内嵌有图案电极的聚苯乙烯二次模板;以二次模板为工作电极,通过电化学沉积,研究了铜、金、银、镍的电化学沉积特性,并通过改变电脉冲参数,制备出多种形貌的金属纳米颗粒有序结构。研究了几类代表性形貌的金属纳米颗粒阵列的光学透射性质,发现体系的共振峰不仅与金属颗粒的形状有关,而且还与入射光的方向有密切的联系,表明共振透射峰的出现是局域和传播型表面等离激元共同参与的结果。采用多重散射理论,对球形颗粒体系的光学透射性质进行了计算,得到了与实验测量相一致的结果。