贵金属纳米棒等离激元共振性质及上转换荧光研究

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稀土离子掺杂纳米晶体化学稳定性好,其上转换荧光发射具有窄带多色、荧光寿命长等优势,被广泛应用于生物成像、光学传感、医学治疗和光化学反应等领域。然而,由于上转换发光材料量子产率比较低,制约了其应用发展。提高稀土掺杂纳米晶体上转换材料的量子产率,对其发光性质进行选择性调控,一直是该领域科研工作者的努力方向。金属纳米结构在外场作用下所产生表面等离激元效应,为调控和增强荧光发射提供了重要的新途径。本文围绕金纳米棒的等离激元效应和对发光体系的荧光增强效应,通过对金纳米棒和金纳米棒阵列共振性质的调控,改变激发光波长和偏振性质,研究金纳米棒阵列的等离激元性质和其对稀土掺杂颗粒荧光发射的调控效应。主要研究内容和结果如下:(1)合成并组装了稀土掺杂纳米颗粒薄层和金纳米棒阵列。利用高温热分解法制备稀土掺杂上转换纳米颗粒,并通过自组装方式获得稀土颗粒单层膜。利用种子生长法制备金纳米棒,并采用液滴自蒸发的方式自组装成金纳米棒阵列。(2)通过调节金纳米棒的长径比,实现了金纳米棒共振性质可控调节;通过引入Al2O3隔离层,调控了金纳米棒阵列表面等离激元共振性质。从实验上研究了激发光波长、隔离层厚度、金纳米棒阵列表面等离激元共振峰和荧光发射峰对稀土颗粒单层膜发光性质的影响规律,发现当Al2O3隔离层厚度为12 nm时,金纳米棒阵列表面等离激元共振峰可以与波长为980 nm的激发光互相匹配,从而增强稀土颗粒单层膜荧光发射。此外,随着激发光偏振角度的改变,不同的等离激元模式被激发,从而影响稀土发光性质。当激发光偏振方向与金纳米棒长轴方向平行时荧光强度最强,而与金纳米棒长轴垂直时荧光强度最弱。(3)研究了双波长激发条件下,金纳米棒阵列衬底对稀土颗粒单层膜荧光发射的影响。结果发现,根据掺杂稀土离子不同,双波长激发稀土颗粒单层膜既可能实现稀土荧光增强,也可能抑制荧光发射,是一种有效的调控发光手段。此外,还对不同衬底结构对稀土颗粒单层膜荧光寿命的影响,研究发现金纳米棒阵列衬底会缩短荧光寿命。
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