介质/金属-核/壳结构中的等离激元腔模与荧光分子耦合效应的研究

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金属微纳结构能够支持表面等离激元共振可以产生许多新的光学物理效应。随着理论研究的深入,和现代微加工技术的长足进步,基于金属微纳结构的等离激元光子学面等离激元学(Plasmonics)在物理学、光学、材料科学、生物医学、信息科学以及凝聚态物理学等诸多研究领域展现出广泛的应用前景。本文主要围绕介质/金属-核/壳等离激元微腔中腔模与荧光分子之间的近场耦合效应展开。论文主要包括以下几个方面;1.在绪论部分对介质/金属-核/壳等离激元微腔中腔模与荧光分子之间的近场耦合效应的研究背景做了相关介绍。包括表面等离极化激元波,局域表面等离激元,等离激元杂化理论,介质/金属-核/壳结构,光学标记的相关定义和应用。2.研究了介质/金属-核/壳结构的制备方法。主要分为两步:(1)通过Langmuir-Blodgett技术在水/空气界面自组织生长一层大面积密堆的微球阵列,并转移至镂空的铜网格上形成悬空的二维胶体微球晶体。在这一步中按照之前文献中介绍的LB方法,我们成功制备出了聚苯乙烯(PS)的阵列,但是在氧化硅阵列的制备过程中遇到了困难,之后我们重新梳理了 LB方法的原理,通过适当的溶剂配比成功的制备出了高质量的氧化硅阵列。(2)以上述的悬空胶体微球阵列作为模板,在模板的上表面和下表面独立的沉积金属膜,最终获得接近完整包裹的核-壳等离激元微腔阵列。这种制备核-壳颗粒的方法不仅简单高效,而且还可以独立改变两次所沉积材料的厚度、种类、层数,构建上下非对称的壳层,或者形成多壳层的"洋葱"颗粒,具有很大的拓展空间。3.研究了用荧光发射谱线宽来表征微腔品质因子的方法,并从理论和实验上比较研究了单个球形介质微腔支持的回音廊模式和银包裹相同介质微腔构建的核-壳等离激元微腔中的杂化模之间品质因子(Q)的大小关系。对于小(大)尺寸共振腔,介质共振强的辐射损耗要大于(小于)核-壳等离激元共振腔的吸收损耗,因此杂化模(回音廊模)具有更大的Q值。实验上,我们选取两个尺寸(1.0 μm和3.2μm半径)的荧光分子掺杂PS球,通过比较两类共振腔的荧光发射谱,很好的证实了上述的理论结果。我们的研究能为选择合适尺寸的介质微腔或者核-壳等离激元微腔提供实际上的指导。4.最后系统地研究了荧光分子掺杂的核-壳等离激元微腔的发射特性,我们发现使用0.52 μm和1.0 μm直径的等离激元微腔,腔模与荧光分子之间的近场耦合可以产生单个和多个窄线宽的发射峰,而且发射峰的位置并不随外界环境折射率的变化而发生移动,我们进一步通过内包裹一层介质层,可以有效调节发射峰的位置。这些性质都非常符合光学标记系统的要求,故我们对核-壳等离激元微腔作为一种光学标记系统的具体指标和性能做了全面的测试,证明了等离激元微腔是一种性能优异的光学标记。
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