納米金屬結(jié)構(gòu)與納米氧化鋅薄膜的熒光增強(qiáng)效應(yīng)研究.pdf

1、近十年來(lái)，金屬和熒光物質(zhì)的相互作用已經(jīng)成為最熱門的研究領(lǐng)域之一。當(dāng)入射光與亞波長(zhǎng)尺寸的金屬和熒光基團(tuán)作用時(shí)，金屬產(chǎn)生的等離子體可以增強(qiáng)其附近熒光物質(zhì)的發(fā)光強(qiáng)度。對(duì)于金屬附近的激發(fā)態(tài)熒光物質(zhì)，局域電場(chǎng)的增強(qiáng)是由于金銀亞波長(zhǎng)尺寸顆粒的光學(xué)散射截面比其幾何散射截面大很多倍引起的。熒光物質(zhì)和金屬顆粒附近等離子激元的相互作用也會(huì)引起熒光物質(zhì)輻射速率的加快。金屬結(jié)構(gòu)與熒光物質(zhì)的相互作用不僅會(huì)增強(qiáng)其附近熒光物質(zhì)的發(fā)光效率，降低熒光物質(zhì)的熒光壽命，提高

2、熒光物質(zhì)的輻射速率和改善發(fā)光物質(zhì)的光穩(wěn)定性，而且這種熒光增強(qiáng)效應(yīng)對(duì)熒光物質(zhì)的種類沒(méi)有明確的要求。它不僅可以增強(qiáng)有機(jī)染料分子的熒光強(qiáng)度，還可以提高各種發(fā)光物質(zhì)比如氧化鋅薄膜、半導(dǎo)體量子點(diǎn)和稀土發(fā)光物質(zhì)等的發(fā)光效率。金屬增強(qiáng)熒光復(fù)合結(jié)構(gòu)的成功制備在生物研究領(lǐng)域?qū)⒖梢源蠓忍岣邿晒馓綔y(cè)的效率，為臨床醫(yī)學(xué)診斷提供更容易更高效的探測(cè)方式；在半導(dǎo)體發(fā)光領(lǐng)域，將大大提高半導(dǎo)體發(fā)光器件發(fā)光效率，達(dá)到節(jié)能減排的目的。本論文的研究工作將基于金屬和熒光相互作

3、用的特性，設(shè)計(jì)納米金屬／熒光物質(zhì)復(fù)合材料，利用金屬表面產(chǎn)生的等離子體激元來(lái)提高復(fù)合材料的發(fā)光效率和改善復(fù)合材料的發(fā)光性能。
　　 在第一章中，將詳細(xì)介紹金屬和熒光的相互作用的物理機(jī)制，并介紹了常見的理論計(jì)算數(shù)值模擬方法：米理論，DDA數(shù)值模擬和時(shí)域有限差分法。按金屬增強(qiáng)熒光的效應(yīng)以及金屬的不同結(jié)構(gòu)把金屬增強(qiáng)熒光分成三類：金屬增強(qiáng)熒光，表面等離子體激元耦合發(fā)光和等離子體激元調(diào)控?zé)晒?，并逐一介紹它們的特點(diǎn)。此外還介紹了常見的增強(qiáng)熒光

4、的金屬，主要是金，銀和鋁，并對(duì)它們的應(yīng)用做了簡(jiǎn)介。本章最后給出了本論文的研究?jī)?nèi)容和意義。
　　 在第二章中，我們用磁控濺射的方法室溫下在硅襯底上生長(zhǎng)了厚度不同的氧化鋅和中間銀層組合的氧化鋅／銀復(fù)合薄膜。在750攝氏度下退火一個(gè)小時(shí)后，我們發(fā)現(xiàn)復(fù)合薄膜的紫外發(fā)光強(qiáng)度嚴(yán)重受銀初始中間層厚度的影響。在退火過(guò)程中，銀島狀薄膜收縮變?yōu)殂y納米顆粒并沿著氧化鋅晶粒間界向上擴(kuò)散。納米金屬顆粒的局域等離子體激元和氧化鋅紫外發(fā)光的耦合可以提高氧化鋅

5、的紫外發(fā)光效率。當(dāng)開始銀中間層厚為10nm時(shí)，退火后相對(duì)于沒(méi)有中間銀層的樣品，我們得到了最大為12倍的紫外發(fā)光增強(qiáng)，但是同時(shí)銀納米顆粒的形成以及擴(kuò)散會(huì)損傷氧化鋅的結(jié)晶質(zhì)量，特別是銀顆粒尺寸比較大的情況，結(jié)晶質(zhì)量的下降會(huì)降低氧化鋅紫外發(fā)光的強(qiáng)度。總之，復(fù)合薄膜紫外發(fā)光強(qiáng)度受銀顆粒局域等離子體激元增強(qiáng)效應(yīng)和銀顆粒擴(kuò)散損傷氧化鋅結(jié)晶質(zhì)量的效應(yīng)共同制約。
　　 第三章中，我們發(fā)現(xiàn)納米氧化鋅薄膜像納米金屬薄膜一樣也可以增強(qiáng)三種染料分子的熒

6、光強(qiáng)度，而且增強(qiáng)的幅度大概在10倍左右。通過(guò)嚴(yán)格的對(duì)比試驗(yàn)，我們確認(rèn)了納米氧化鋅薄膜上染料分子熒光強(qiáng)度的增強(qiáng)并不是它吸附了更多的染料分子，納米氧化鋅薄膜的確可以增強(qiáng)熒光。我們測(cè)試了所有樣品的熒光壽命譜，并且對(duì)樣品的熒光壽命譜進(jìn)行了擬合分析。然而我們并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)納米氧化鋅基片上染料分子的熒光壽命縮短，這說(shuō)明氧化鋅增強(qiáng)熒光和金屬增強(qiáng)熒光的物理機(jī)制應(yīng)該有所區(qū)別，金屬增強(qiáng)熒光往往會(huì)導(dǎo)致熒光分子熒光壽命縮短。納米氧化鋅基片相對(duì)于納米貴金屬基片，其制

7、備成本低廉和制備方法簡(jiǎn)單，可以作用大規(guī)模應(yīng)用的熒光探測(cè)增強(qiáng)的的廉價(jià)基片。
　　 第四章中，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種包含有機(jī)熒光基團(tuán)和金屬核殼新的探針結(jié)構(gòu)(PFP)，金屬核殼結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)金屬等離子體共振吸收峰，可以同時(shí)增強(qiáng)光的吸收和發(fā)射。通過(guò)理論計(jì)算我們發(fā)現(xiàn)，這種PFP結(jié)構(gòu)使得外來(lái)入射光對(duì)熒光體的激發(fā)速率以及熒光體的發(fā)射效率都提高了100倍以上，因此理論上最大可獲得10000倍的發(fā)光增強(qiáng)效應(yīng)。PFP致力于解決制約熒光探測(cè)的主要問(wèn)題，即單探針