光子晶体对硝酸钠与无水乙醇红外特性影响的研究

摘要

红外吸收光谱技术是根据样品的红外吸收光谱得到分子振动的频率、强度等信息，进而分析分子的结构及定量检测的技术，具有成本较低、分析精度高、检测速度快、重复性好、用量少等优点。但是由于水或者乙醇的OH基团对红外光有强吸收，使得红外光谱技术难以检测水溶液或者乙醇溶液中低浓度的物质。
　　二维金属光子晶体的滤波特性以及表面等离子体效应，能够增强待测样品的红外吸收。本文研究了光子晶体对硝酸根与乙醇红外吸收特性的影响，主要研究内容如下:
　　首先利用严格波耦合法研究了二维金属镍光子晶体的红外光谱特性。通过模拟计算，考察了周期、孔径、镍膜厚度等结构参数以及光的入射角对光子晶体透射特性的影响。模拟计算结果表明:光子晶体结构的周期能使共振峰产生红移、分裂、强度变化等现象。特别地，在周期波长处，红外透射光谱会出现一个透射极小值;孔径大小和厚度对光谱的移动影响不大，但是会对透射谷的位置和宽度产生影响;光的入射角的增加，也会使各透射峰产生移动、分裂、透射率发生相应变化，而且相应地透射谷的位置和宽度也会改变。在光垂直入射的情况下，实验中P=10μm的二维金属镍光子晶体的红外透射光谱在1000cm-1、2100cm-1附近都有透射极小值，1500～1600cm-1范围是透射的极大值。这些结果与模拟计算基本一致，对光子晶体的设计有着重要的理论指导意义。
　　其次分别探究了在光子晶体作为光学滤波器对红外光的强度调控后，硝酸钠和无水乙醇的红外光谱变化。首先探究光子晶体滤波特性对硝酸钠的红外光谱的影响，发现光子晶体能够增加1200～1500cm-1范围的硝酸根反对称伸缩振动的红外吸收强度。然后探究光子晶体滤波特性对无水乙醇的红外光谱的影响，结果表明无水乙醇C-H弯曲振动峰(1300～1500cm-1)和伸缩振动峰(2800～3000cm-1)的红外强度均有增强。实验表明，这种情况下光子晶体作为滤波器对红外光起调控作用，不会改变硝酸根及无水乙醇的振动模式的振动峰位，只增强透射率高的频段的振动模式的红外吸收。
　　最后研究了光子晶体的表面和孔内都存在无水乙醇时对红外光谱的影响。实验结果表明，这种情况会改变圆孔内介质的折射率，会导致乙醇的红外透射光谱会发生移动、分裂，并且会增加红外吸收强度。然后测量无水乙醇蒸发的过程中的红外光谱，1200cm-1～1500cm-1范围的C-H的弯曲振动峰最先消失，然后依次是3200cm-1的OH伸缩振动峰、1050cm-1左右的C-O伸缩振动峰，2970cm-1附近的CH3反对称伸缩振动峰最后消失。证明了光子晶体的滤波特性不仅能够调制光强度，还能依据表面等离子体效应选择性的增强红外吸收。
　　光子晶体的红外吸收增强特别是选择性增强可以提高红外光谱技术的检测极限，对检测水溶液或者乙醇溶液中低浓度的物质具有实用价值。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 红外光谱技术

1．2 光子晶体简介

1．3 光子晶体红外吸收增强效应与滤波特性的研究进展

1．4 论文的选题意义与主要工作安排

2 二维金属镍光子晶体的红外光谱特性

2．1 光子晶体的红外透射特性的理论模拟

2．1．1 数值模拟的结构模型

2．1．2 数值计算方法

2．1．3．模拟结果

2．2 光子晶体的红外透射特性的实验结果

2．2．1 光子晶体的制备和表征

2．2．2 光子晶体的红外光谱特性

2．3 本章小结

3 二维Ni光子晶体对硝酸钠红外吸收光谱的影响

3．1 引言

3．2 光子晶体滤波后硝酸根的红外光谱

3．3 光子晶体滤波特性对硝酸根红外增强的效果

3．4 本章小结

4 二维Ni光子晶体对无水乙醇红外吸收光谱的影响

4．1 引言

4．2 光子晶体滤波对无水乙醇的红外光谱的影响

4．2．1 光子晶体滤波后无水乙醇的红外光谱图

4．2．2 光子晶体滤波特性对无水乙醇红外增强的效果

4．3 光子晶体圆孔内滴加乙醇时对红外光谱的影响

4．3．1 光子晶体圆孔内滴加乙醇的红外光谱图

4．3．2 光子晶体圆孔内滴加乙醇时的红外增强效果

4．4 无水乙醇蒸发过程中光子晶体的选择性红外吸收增强作用

4．5 本章小结

5 总结与展望

5．1 论文工作总结

5．2 工作展望

参考文献

致谢

个人简历

发表的学术论文和研究成果