基于金纳米棒结构的合成及其等离激元特性研究

【摘要】：贵金属纳米材料(尤其金和银)因其具有良好的物性及其表现出的独特光学特性—局域表面等离激元共振现象(LSPR),成为纳米科学领域中的一个热门课题。在众多贵金属纳米结构中,金纳米棒(GNRs)因其表现出依赖于形貌的各向异性且可调的SPR特性,在生命科学、光电技术等领域受到了广泛关注。本论文围绕金纳米棒的合成、自组装、表面包覆等课题开展实验和理论研究,并借助FDTD数值计算分析影响SPR的诸多因素,为基于金纳米棒的相关理论与应用研究奠定基础。本论文的具体研究内容和研究成果如下:1.基于晶种生长法,合成出纵向等离激元共振峰(SPRL)可在近红外波段可调的不同长径比的金纳米棒。研究入射光波长和环境温度对金纳米棒生长的影响。对比研究了基于Gan理论和时域有限差分法(FDTD)下,金纳米棒的SPRL峰与其长径比和背景介质折射率间的关系。利用FDTD方法研究光源的偏振化方向和金纳米棒的端面形貌对SPRL的影响,结果表明:偏振化方向主要影响SPRL峰的强度,并与偏振化方向成余弦关系,而金纳米棒端面形貌的变化不但会引起SPRL峰强度的变化,还会引起SPRL峰的移动。2.利用HS-PEG-SH、CYS和MPA作为连接分子,诱使金纳米棒自组装成端对端和肩并肩的有序结构,并结合实验结果分析了自组装机理。FDTD数值计算结果表明:自组装体中单体的个数、棒间的间距和夹角都会对SPR耦合产生影响。随着自组装体中单体数目的增多,不同的自组装形式会引起SPRL峰发生红移或蓝移现象,其相对移动量与单体的数目均成指数关系。随着间距的增大,棒间的耦合效应会越来越弱,最终移至单棒的SPRL峰附近。而棒间夹角的变化只是影响了峰的强度,没有影响SPR的位置,并且由于对称性破缺会产生的高能峰与低能峰,二者强度间的比值随夹角的增大成指数关系衰减。3.利用溶胶—凝胶法合成出具有不同Si O2壳层厚度的GNR@Si O2核-壳复合纳米结构,研究了TEOS在碱性条件下的水解机理。利用808nm半导体连续激光器研究了金纳米棒和GNR@Si O2的热稳定性,实验表明:GNR@Si O2的热稳定性明显要高于金纳米棒。对于金纳米棒,随着辐射激光功率的增大,其表面的CTAB开始脱落,裸露的表面发生熔化,最终形成稳定性的球状结构。而对于GNR@Si O2核-壳结构,随着辐照功率的增大,金纳米棒表面的Si O2壳层会先发生断裂,并使得GNR@Si O2结构遭到破坏。4.实验上成功制备出具有良好水溶性和热稳定性的金纳米棒多聚体核-壳复合纳米结构,核是具有端对端和肩并肩结构的金纳米棒组装体系。结合FDTD数值计算结果表明:介孔Si O2很好地保持了核颗粒的光学响应,且SPRL峰的位置与核内金纳米棒的个数也成指数递增或递减关系。此外,多聚体核-壳结构也为进一步定量研究多聚体间的局域场增强效应创造条件。