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金属纳米结构中的粒子等离子共振诱发的局域场增强效应会作用于其周围的环境介质,必然会对材料的光电子学特性产生调制作用,例如改变半导体材料中电荷的产生、离解和复合特性等。根据材料特性不同、纳米结构的形貌不同、或作用机理、作用范围不同,这种场增强效应可以实现荧光发射增强而应用于显示器件以及生物学、医学标记等;也可能会增强电荷离解特性,从而提高光电转换效率,应用于光电探测器、传感器和太阳能电池器件等。由于其中涉及多重复杂的光物理过程,相应的物理机理还需要进一步的研究得以确认和准确表征。这就需要系统研究和深刻理解粒子等离子共振与多种半导体材料中各种激发态粒子的相互作用。
本文采用溶液法结合热处理手段制备了周期性与非周期性的金纳米结构,并利用稳态和瞬态光谱学手段,研究了它们的表面等离子共振对两种典型聚芴荧光高分子材料的混合物薄膜中激发复合体荧光发射的增强作用。实验结果表明,当粒子等离子共振发生在激发复合体荧光光谱区时,其荧光发射的强度得到了显著增强,且荧光寿命也得以延长。可以认为,粒子等离子共振诱发的局域场增加了激子的扩散距离,利于在相分离界面处激发复合体的形成。此外,金纳米线等离子共振被激发时共混体系荧光发射比未被激发时有显著增强的现象,更进一步表明表面等离子共振效应是荧光增强的主要机理,并且增强的荧光还具有较高的偏振性。
正如金属纳米材料一样,近年来无机半导体材料硅纳米线也成为人们的热点课题,如硅纳米线的形貌、结构、发光、场发射、热传导性等等都得到了深入研究。相比之下,有关硅纳米线的表面性质如表面物种,表面活性特别是表面稳定性的研究则较少。而这些表面性质对硅纳米线在介观电子器件中的应用具有重大影响,如微纳器件的灵敏度与可靠性等因素都与硅纳米线的表面性质有关。本文的另一工作是利用扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X射线光谱(EDX)及高分辨率透射电镜(HRTEM)对氧化物辅助生长法制备的硅纳米线表面形貌和成分进行了表征并利用X射线光电子能谱仪(XPS)研究了氢氟酸处理后具有硅-氢表面的硅纳米线(氢终止硅纳米线)在不同pH水溶液中的稳定性。实验结果表明,溶液的pH值对其稳定性有重大影响,pH值越大,其氧化就越剧烈,但溶液中的溶解氧对氧化过程的影响很小。我们把这个结果归咎于溶液中氢氧根离子对硅纳米线表面的进攻引起的氧化,但在酸碱溶液中氧化过程有所不同,存在两种氧化途径。在低pH(pH≤7)溶液中,OH-进攻表面硅氢健形成较为稳定的Si-OH,并且氧化过程分多步进行。但在高pH(pH>7)溶液中,Si-OH不能稳定存在,高浓度的OH-促使硅纳米线表面迅速氧化为SiO2。在研究中我们还比较了硅纳米线与硅晶片氧化过程的不同点。提出退火处理可以明显减少氢终止硅纳米线表面的缺陷以提高其在水溶液中的稳定性。