金银纳米结构的三阶非线性光学特性及其热电子弛豫过程研究

摘要

等离激元光学是研究外界电磁场与材料的表面等离激元相互作用的一门学科，几年来等离子光学进入了高速发展的时期，得益于样品制备工艺的进步和局域等离激元共振诱导的热电子的发现。近年来，等离激元光学材料在光化学、局域加热作用、光催化作用、水的光解、光伏器件等等领域获得了极具前景的应用。
　　基于广阔的应用前景，本文对基础的金纳米结构，例如金纳米棒、金三角纳米盘、金纳米锥、金银核壳结构纳米棒进行了光学线性，和三阶非线性性质以及其热电子弛豫过程的研究，为等离激元光学纳米材料的应用奠定了基础。本文的主要工作如下：
　　1.研究了金属纳米颗粒由LSPR影响的热电子弛豫过程和其三阶非线性光学性质，本文首先选取了不同长径比的金纳米棒作为研究对象，使用FDTD solution软件对纳米棒进行了理论计算，计算其理论的消光谱和局域场增强，局域电荷分布等等。之后在实验上，利用光克尔（Optical Kerr Effect）等实验手段探测了其三阶非线性响应，以及材料的热电子弛豫时间。结果表明通过调节纳米棒的长径比，我们能够在可见光的范围内任意调节金纳米棒的共振吸收峰位，并且固定棒的直径，改变长径比时，对其热电子的弛豫时间影响不大。然而当金纳米棒的直径缩小为10nm左右时，弛豫时间大幅度的增加。另一个重要的发现是，当增加激发功率时，能够明显的观察到响应的弛豫时间变长，这一点对于其在光伏器件上的应用尤为重要。
　　2.结合前期的工作，对比了各种金纳米结构的三阶非线性光学性质与弛豫时间，包括金三角纳米盘、纳米锥、纳米棒等等。FDTD的吸收光谱计算表明通过调整纳米结构的尺寸，我们能够在一定尺度上调整材料的LSPR峰位，从而在特殊的领域如生物探测上得到应用。FDTD电场强度分布仿真结果表明等离激元光学材料往往在其尖端出具有非常大的局域电场增强效应，因此我们可以设计尽可能多的尖端形状的纳米结构来达到较大的电场增强效应，大的电场增强效应对于其在化学光催化等领域有非常大的应用价值。
　　3.在对金纳米颗粒的超快三阶非线性光学性质的研究基础上，展开了对金银核壳结构纳米棒的研究，通过改变表面银层的厚度，来改变金棒周围的介电环境，从而获得不同的非线性响应，并以此调控其热电子的弛豫时间。在对其光开关性质的研究中，在0nm到15nm的银包覆层厚度变化时，银包覆层厚度越厚，样品能在越多的波长下满足光开关W>1和T<1条件。这一点对金银核壳结构纳米棒在光开关中的应用奠定了基础。在对其光克尔响应时间的研究中，当银包覆层的厚度变厚时，其光克尔响应时间逐渐增加，从而指导了其在热电子相关领域应用的方向。
　　4.研究了不同尺寸金核的金银核壳纳米棒的三阶非线性光学性质，并且对其在全光开关上的应用开展了详细的研究。结果表明在一定的激发功率阈值以上，此种金银核壳纳米结构具有优秀的性质，可以作为一种适用波段很广的非常好的光开关应用材料。

目录

声明

论文创新点

1. 绪论

1.1等离激元光学（Plasmonic）

1.2 表面等离极化激元（SPP）和局域表面等离激元共振（LSPR）

1.3 表面等离激元相关理论

1.4 局域等离激元诱导的热电子产生和能量弛豫

1.5 局域表面等离激元增强的超快三阶光学非线性

1.6 等离激元诱导的热电子应用与研究现状

1.7 本文将要开展的工作

2. 金纳米棒的光学三阶非线性及热电子弛豫过程研究

2.1 金属纳米结构的局域等离激元光学性质研究现状

2.2 研究超快热电子弛豫和光学三阶非线性的光克尔（OKE）方法

2.3 金纳米棒的LSPR诱导的三阶非线性性质及热电子弛豫时间

2.4 本章小节

3. 不同纳米结构对热电子弛豫时间的影响

3.1 不同金纳米结构的FDTD模拟

3.2 不同金纳米结构的三阶光学非线性和热电子弛豫时间对比

3.3 本章小结

4. 金银核壳纳米棒的三阶光学非线性和响应时间研究

4.1 样品的制备和表征

4.2 金银核壳结构纳米棒的FDTD模拟

4.3 研究材料三阶非线性光学性质的Z扫描方法

4.4 金银核壳结构纳米棒的三阶非线性光学性质

4.5 金银核壳结构纳米棒的热电子弛豫时间研究

4.6 本章小节

5. 金银核壳结构的超快全光开关应用性质研究

5.1 样品的制备和表征

5.2 超快全光开关应用性质研究

5.3 本章小节

6. 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录 攻读博士学位期间已完成的论文列表