【摘 要】
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表面等离子体共振是贵金属微结构具有的一种重要性质。简单地说,表面等离子体共振就是在外界电磁波的作用下,金属表面的电子发生集体振荡的现象。此时贵金属等离子体微结构对于入射电磁波能量的吸收和转化,使得其表现出一系列特殊的性质,最直观的一点就是其显示出特殊的颜色,并且其光谱会随着贵金属微结构周围介质折射率的变化而发生变化。除此之外,在肉眼看不见的微观尺度内,贵金属微结构周围还会发生电磁场的限域和增强。这
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表面等离子体共振是贵金属微结构具有的一种重要性质。简单地说,表面等离子体共振就是在外界电磁波的作用下,金属表面的电子发生集体振荡的现象。此时贵金属等离子体微结构对于入射电磁波能量的吸收和转化,使得其表现出一系列特殊的性质,最直观的一点就是其显示出特殊的颜色,并且其光谱会随着贵金属微结构周围介质折射率的变化而发生变化。除此之外,在肉眼看不见的微观尺度内,贵金属微结构周围还会发生电磁场的限域和增强。这些性质使得贵金属等离子体微结构在诸多领域有着重要应用,包括:折射率检测、生物检测、光热转化、光热治疗、增强光谱等方面。在实际应用中,贵金属等离子体微结构的性质高度依赖于其材料、尺寸、形貌等参数。通过对这些参数进行调控,人们可以获得更尖锐的共振光谱、更强的拉曼增强效果、或更高的光热转化率,从而在各项应用中获得更佳的效果。为此,人们开发了各种各样的制备方法,从最基本的贵金属纳米粒子,到纳米粒子的组装体,或是二维以及三维的贵金属微阵列,得到了一系列参数可调的贵金属等离子体微结构。开发廉价、参数可调性强、适合大面积制备的复杂贵金属微结构制备新方法一直是人们研究的热门领域。出于此目的,我们选择尺寸形貌易于调控,并且表面易于修饰的聚合物为模板或基材,与贵金属纳米粒子进行复合,制备一系列形貌参数可以精确调控的聚合物/金复合纳米等离子体微结构,以实现对等离子体共振光谱的调节,并系统研究了形貌参数与光学性质及功能之间的关系。其具体内容如下:在第二章中,我们结合胶体晶体刻蚀技术和金纳米粒子的自组装,制备了尺寸可调的金纳米环阵列,实现了对金纳米结构等离子体共振光谱的调节。利用胶体晶体刻蚀技术对聚合物进行微加工,可以方便地得到具有六方排列的聚合物柱阵列模板,并且聚合物柱的高度、直径和阵列周期等都可以进行调控。通过对聚合物纳米柱表面进行修饰,使得金纳米粒子可以在其表面自组装,形成金纳米粒子单层紧密排列的圆环阵列,再通过对金纳米粒子进行生长液处理,即可得到金纳米环阵列。通过对聚合物纳米柱阵列进行尺寸调控,我们成功制备了周期在1000-2000 nm范围、直径在250-800 nm范围、高度在200-1200 nm范围内可调的金纳米环阵列。我们发现,随着金环直径的增加,其偶极共振峰位在1250-2250nm波段逐渐红移。而随着金环高度的增加,其位于1500-2000 nm波段的反对称偶极共振峰位会逐渐红移,并伴有峰强的增强,而位于2500-4000 nm波段的对称偶极共振峰位会逐渐蓝移,并且实际测量的光谱变化规律与FDTD模拟结果一致。由此,我们成功实现了对等离子共振光谱的调节。除此之外,我们还成功制备了金纳米锥壳阵列,这说明利用此方法可以使金纳米粒子与任意形貌的聚合物结构复合,展现了此方法强大的制备能力。在第三章中,在上一章制备的金纳米环阵列基础上,我们结合胶体晶体刻蚀技术和湿法转移技术,制备得到了金纳米环/聚合物/金不对称光学共振腔。湿法转移技术保证了共振腔的平整以及光学信号的一致。此共振腔同时具有金环的等离子体共振模式以及法布里-珀罗共振模式。通过对不同浓度聚合物进行旋涂,我们成功得到具有厚度从0到1000 nm左右变化的电介质层的共振腔。我们发现,随着电介质层厚度的增加,越来越高级数的法珀共振模式被激发出来,最高得到的级数可达8级。同一级数的法珀共振吸收逐渐红移,并且低级数共振的红移程度大于高级数共振。并且我们发现,我们的不对称共振腔的法珀共振吸收位置相比于完美法珀腔的共振吸收位置略有红移,这是由于金环等离子体共振对光的吸收造成的。此外,不同的入射角度也会改变共振光谱,并且共振光谱位移规律符合布拉格公式。在第四章中,我们结合聚合物的静电纺丝技术和在聚合物纳米纤维表面组装金纳米粒子,制备得到了可用于光热海水淡化的界面光热材料。聚合物电纺丝为金纳米粒子提供了大量的附着位点,其三维微结构不仅增强了金纳米粒子对光的吸收,还便于水和蒸汽的运输。在3.4 kW m-2的光功率下,其光热转换效率可达77%。并且由于引入了聚合物,其还具有质量轻,柔性等优点。通过模拟海水淡化测试我们发现,光热蒸馏后的水盐度比模拟海水小三个数量级以上,说明此材料具有良好的光热应用前景。
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