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表面等离子体纳米颗粒在液晶中的自组织及其光学特性的研究

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摘要

1 绪论——纳米颗粒及其自组织

1.1 引言

1.2 纳米材料自组织的研究进展

1.2.1 纳米材料自组织的研究进展

1.2.2 利用液晶组织纳米颗粒的方法

1.2.3 液晶-纳米颗粒复合材料的应用

1.3 本论文的章节安排

1.4 本论文的主要创新点

2 纳米颗粒在液晶中的自组织及其光学性质的理论基础

2.1 液晶及其基本性质

2.1.1 液晶及其分粪

2.1.2 液晶的指向矢和序参量

2.2 表面等离子体纳米颗粒的光学性质

2.2.1 金属的自由电子气模型

2.2.2 局域表面等离子体共振理论

2.2.3 时域有限差分方法仿真金纳米棒的光学性质

2.3 金属纳米颗粒-液晶复合材料的物理理论和光学性质

2.3.1 纳米颗粒在液晶中的取向理论

2.3.2 具有序参量材料的折射率的分子理论

2.3.3 吸收二向色性和序参量的关系

2.3.4 比尔-朗伯定律

2.3.5 液晶-纳米颗粒复合材料的光学常数

3 样品制备和光学表征技术

3.1 金纳米颗粒的合成和表面功能化

3.1.1 金纳米球的合成

3.1.2 金纳米棒的合成

3.1.3 硫醇包覆

3.1.4 聚乙烯醇包覆

3.2 光学显微成像及光谱测量技术

3.2.1 偏振光学显微成像

3.2.2 偏振暗场显微成像

3.2.3 共聚焦偏振荧光显微成像

3.2.4 多光子激发荧光显微成像

3.2.5 基于显微镜的偏振吸收光谱测量

3.3 表面活性剂溶致液晶的制备、结构及表征

3.3.1 表面活性剂溶致液晶的制备

3.3.2 表面活性剂溶致液晶的结构和表征

4 纳米颗粒在表面活性剂溶致液晶中的自组织

4.1 金纳米棒在溶致液晶中的类向列相的正序参量自组织

4.1.1 金纳米棒-液晶样品的制备

4.1.2 负序参量金纳米棒-液晶样品的光学表征

4.1.3 金纳米棒-液晶样品的磁响应

4.2 金纳米棒在溶致液晶中的类向列相和胆甾相的负序参量自组织

4.2.1 金纳米棒-液晶样品的制备

4.2.2 负序参量金纳米棒-液晶样品的光学表征

4.2.3 负序参量金纳米棒-液晶样品的光学性质

4.3 利用表面定向对金纳米棒大面积的取向

4.3.1 液晶盒的表面定向

4.3.2 同一方向摩擦定向取向金纳米棒-液晶样品

4.3.3 同心圆方向摩擦定向金纳米棒-液晶样品

4.3.4 周期性区域摩擦定向金纳米棒-液晶样品

5 金纳米颗粒在纤维素纳米晶液晶中的取向

5.1 引言

5.2 液晶的Onsager理论

5.3 纤维素纳米晶液晶的制备和表征

5.3.1 维素纳米晶液晶的制备

5.3.2 纤维素纳米晶液晶的表征

5.4 金纳米棒在纤微素纳米晶液晶中的类向列相排列

5.4.1 金纳米棒在纤维索纳米品液晶中的类向列相排列

5.4.2 金纳米棒-纤维素纳米晶薄膜

5.5 金纳米棒在胆甾相纤维素纳米晶液晶中的排列

5.5.1 金纳米棒在胆甾相纤维素纳米晶液晶中的排列

5.5.2 金纳米棒在含有胆甾相纤维素纳米晶渡晶的非均相体系中的排列

6 总结和展望

6.1 本论文内容总结

6.2 今后工作展望

参考文献

作者简介

攻读博士期间发表的论文

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摘要

纳米颗粒自组织成长程有序的三维结构是开发先进人工光学材料的关键。液晶具有长程取向有序和流动性,因此是将微纳米颗粒组织成长程有序结构的有潜力的材料。本论文研究了分散在液晶中的具有长程有序性的表面等离子体纳米材料的自组织。液晶在这一过程中作为“智能流动载体”带来了不同程度的取向和位置有序,为胶体自组织提供了流体模板,并且很容易对外界刺激例如电场和磁场起响应。具体内容如下:
  首先,将纳米颗粒无聚集的分散在液晶中是本领域的一个难题。本研究实现了稳定的高浓度表面等离子纳米颗粒和液晶复合物,并利用向列相、胆甾相、六角相和层状相液晶作为载体,实现了纳米颗粒在液晶中具有正、负序参量的自组织。
  其次,本论文研究了表面等离子纳米颗粒和液晶基元相互作用的物理过程,并基于表面锚定作用提出了一个物理模型来解释纳米颗粒在液晶中的正、负序参量的排列方式,此模型和这种有机-无机混合材料的自组织和有效媒质光学效应符合得很好。此外,本论文用Onsager理论解释了实验中观察到的纳米颗粒在纤维素纳米晶液晶中的排列效应和有限相溶效应。
  第三,我们测量了这种表面等离子体纳米颗粒在液晶中的独特的光学性质。经过液晶排列后的纳米颗粒具有很强的偏振相关局域表面等离子体效应,表现为偏振相关消光、散射和双光子荧光效应,这个和纳米颗粒在各向同性溶液中表现出来的光学性质截然不同。
  总之,本论文展示了用液晶排列纳米颗粒的方法在今后开发可调的大面积光学特异材料和表面等离子体光学元件方面具有巨大的潜力。

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