基于二氧化钒相变的金纳米晶阵列光学特性的动态调控

摘要

贵金属纳米颗粒的LSPR特性受纳米颗粒的大小、形状、空间分布以及周围介电环境的影响，如何在贵金属纳米结构(大小、形状、空间分布等)固定的情况下对LSPR特性进行动态调控，引起人们的广泛的关注。VO2作为一种相变材料，介电常数在相变前后发生可逆的巨大改变，尤其是在近红外波段。利用这种介电特性的变化，可以有效地对贵金属纳米结构的LSPR特性进行动态调控。这种LSPR特性的动态调控对于光开光、LSPR传感器、温度敏感器件等领域的研究与开发有着重要的意义。　　本工作主要有三部分：一是金纳米晶溶液及金纳米晶阵列的制备。利用静电吸附作用，通过控制溶液中CTAB的浓度，将用种子生长法制备的金纳米六角板、金纳米球、金纳米棒从溶液中转移到石英基底上，制备出相应的金纳米晶阵列，吸收光谱显示阵列吸收值均在0.35以上。这种制备方法对设备要求低、工艺简单、重复率高、可大面积制备，特别是金纳米六角板阵列的LSPR峰可以容易地调节至近红外波段。二是VO2薄膜的制备及相关参数对VO2薄膜形貌与光学特性的影响。通过控制单一变量，研究了凝胶中V元素含量、PVP添加量以及退火条件对VO2薄膜的形貌及光学特性的影响。研究发现，V元素含量正比于退火后VO2纳米颗粒的生成量，影响着薄膜的致密性；而PVP添加量一定程度上与退火时间成正比，PVP添加量越多，退火所需温度越高，时间越长。通过总结规律，我们得到了分别基于PVPK90以及PVPK30的两种不同厚度VO2薄膜的制备条件，并对制备的薄膜进行了分析，证明VO2薄膜结晶性良好，无杂晶出现，温度相变特性良好。三是AuNPLs/VO2复合结构的制备及复合结构相变前后LSPR特性的研究。基于金纳米六角板近红外波段的共振峰位、LSPR对介电环境的高灵敏性以及VO2薄膜的相变特性，研究了VO2薄膜层厚度、金纳米晶阵列的等离激元共振峰位、峰强对AuNPLs/VO2复合结构LSPR特性的影响。实验发现，当VO2薄膜过厚时(200nm以上)，透射率低，会阻碍入射光线与VO2覆盖下的金纳米六角板阵列的耦合，复合结构只表现出VO2的光学特性；当VO2薄膜厚度约为70nm时，入射光能够与纳米阵列耦合，复合结构的LSPR峰位于近红外波段。通过改变纳米颗粒阵列的峰位、峰强，将复合结构的LSPR共振峰位蓝移量提高至140nm，且过程可逆。上述结果表明，利用VO2薄膜的相变来动态调控金纳米晶阵列近红外波段的LSPR特性是可行的，这种复合结构对于光开关的构建有着重要的实用价值。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 局域表面等离激元共振（LSPRs）

1.2 表面等离激元的动态调控

1.2.1 有源等离激元

1.2.2 有源等离激元结构的应用

1.3 金纳米颗粒/二氧化钒复合结构的研究现状及应用领域

1.4本课题研究内容与意义

1.4.1 选题意义

1.4.2 研究内容

第二章 金纳米晶阵列制备及光学性质研究

2.1 引言

2.2实验准备工作

2.2.1 实验试剂与设备

2.2.2 石英基底的清洗与亲水处理

2.3金纳米晶的制备及表征

2.3.1 金纳米六角板溶液的制备与表征

2.3.2金纳米球溶液的制备与表征

2.3.2金纳米棒溶液的制备与表征

2.4 金纳米晶阵列的构建及光学特性研究

2.4.1 金纳米六角板阵列的构建及光学特性

2.4.2金纳米球阵列的制备及其光学特性

2.4.3 金纳米棒阵列的制备及其光学特性

2.5 本章小结

第三章 二氧化钒薄膜的制备与表征

3.1引言

3.2实验工艺与表征方法

3.2.1实验药剂与设备

3.2.2 制备流程

3.2.3 实验测试及表征手段

3.3 实验过程与分析

3.3.1 基于PVP K90制备的VO2薄膜

3.3.2 基于PVP K30制备的VO2薄膜

3.4 物相分析

3.5本章小结

第四章 Au NPLs/VO2复合结构的制备及光学特性研究

4.1引言

4.2 Au NPLs/VO2复合结构的制备

4.3 VO2薄膜透射光谱对Au NPLs/VO2复合结构性能的影响

4.4 Au NPLs阵列LSPR特性对Au NPLs/VO2复合结构性能的影响

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1工作总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢