010-82930964 
编号：CYYJ044037
篇名：基于自组装密排金纳米颗粒微球壳的米散射特性研究
作者：宋明霞
关键词： 米散射; 金纳米球; 乳化自组装; 等效介质理论; 表面等离激元;
机构： 太原理工大学
摘要： 基于贵金属纳米颗粒局域表面等离激元共振能够增强纳米尺度上的电磁场,同时具有较强的光散射和吸收,这些特性为增强纳米尺度光与物质的相互作用和电磁辐射调控提供了有效手段。另一方面,无需复杂的结构设计,高折射率电介质纳米结构即可用以激发如磁偶极、环形偶极等米氏共振模式,故高折射率电介质纳米结构同样成为设计微纳光子器件的重要体系。然而,金属纳米结构和电介质纳米结构各自存在局限,限制了光学器件的性能。因此,开发同时具有贵金属和电介质结构优势特性的微纳体系对高性能微纳光子器件的设计具有重要意义。采用自组装方法制备的密排纳米颗粒超晶格具有可控的颗粒间隙,同时由于颗粒之间的耦合效应,这种超晶格结构可表现出与单个颗粒不同的优良的集体光学响应。根据等效介质理论,由密排贵金属纳米颗粒所构成的超晶格可等效为高折射率电介质材料,根据结构参数的不同其等效折射率可以远超过普通电介质材料,这为结合金属纳米结构和电介质纳米结构的优异特性提供了一种方案。以往研究主要关注于二维片状结构和三维实心球体、核壳、核岛结构超晶格的光学特性,而壳状结构是微纳结构的一种重要体系,故由贵金属纳米颗粒构成的微球壳结构有望产生独特的光学响应。 基于此本文通过乳化自组装方法成功制备了一种由密排金纳米颗粒构成的微球壳结构,并进行了散射光谱实验测量及时域有限差分计算。对单颗粒的暗场散射光谱和结构尺寸、壳层厚度的变化关系进行了系统研究,通过米散射多极子展开对其散射特性进行了分析。结果表明微球壳结构具有丰富的米散射特性,这种结构对于有效地控制光散射并实现高性能的光学器件具有重要意义。本文的具体工作涉及以下两个方面: (1)采用一种简单而有效的水包油乳化方法成功制备了不同尺寸和层数的微球壳结构。实验结果表明,采用种子介导生长法制备的金纳米球具有良好的尺寸均匀性。微球壳结构由金纳米球层层排列构成,呈现出不同大小和层数的差异,金纳米球在微球壳表面呈现高度有序的六角形堆积排列。研究金纳米球浓度和环境温度对微球壳形貌的影响显示,仅在适宜的金纳米球浓度和环境温度下,制备的微球壳结构方能具备良好的球形形状和有序的金纳米球排列。这些高质量样品的制备为微球壳光学特性的深入研究奠定了基础。 (2)研究了微球壳的光散射特性。通过实验测试了微球壳的光学散射特性,并采用时域有限差分方法对其进行了理论分析。研究结果显示,微球壳的光学响应类似于等效高折射率电介质球壳,在微球壳层数较少时,电偶极和磁偶极子模式对总散射谱起主导作用。随着微球壳尺寸的增大,壳层厚度逐渐增加,同时高阶米散射贡献如环形电偶极、电四极、磁四极等模式也得以有效激发。对于特定尺寸和壳层的微球壳,当其产生的电偶极及磁偶极共振模式相互作用满足Kerker条件时,可形成定向的前向散射。此外,微球壳在环境折射率方面的敏感度与同类结构下的硅材料相比差异不大。上述结果表明这种金纳米球所构成的微球壳是一种具有丰富米散射特性的结构。
