纳米银颗粒的磁控溅射制备以及荧光增强应用

作     者：张涛 

作者单位：辽宁大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王绩伟

授予年度：2018年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：纳米颗粒 磁控溅射 等离子共振 荧光增强 

摘      要：基于纳米金属颗粒的等离子共振特性实现荧光物质发光增强的相关研究已经成为当前纳米金属材料研究应用的一个热点方向。银纳米颗粒由于表面等离子共振的原因会在紫外可见光之间产生一个明显的吸收带,在荧光增强、生物医学检测、促进光催化等领域都有非常好的应用前景。本论文围绕纳米银颗粒的制备方法以及纳米银颗粒对荧光体系的发光增强进行研究,主要有以下几点内容:(1)利用磁控溅射的方法,采用交替循环溅射银靶和钛酸钡靶的方式,在氮气氛围下退火,最终在钛酸钡薄膜的表面制备出银颗粒。通过扫描电镜、紫外分光光度计等手段进行表征分析,所制备的银颗粒形貌均匀,粒径大部分在分布20-30nm之间,等离子吸收共振吸收特性较强。此外,还侧重分析了退火温度和循环层数对纳米银颗粒形貌和等离子吸收特性的影响。退火温度的提升有助于银颗粒的融合和扩散速度,进而提升了颗粒的致密程度和均匀程度,等离子共振吸收特性也随之增强,通过对比确定较适宜的退火温度为500℃。循环层数的改变对纳米银颗粒的致密度有重要的影响,虽然随着循环层数的递增,颗粒的尺寸在降低,颗粒的致密度却在增加,致密度的提升增强了等离子体共振吸收特性。在固定银溅射厚度为2nm,钛酸钡溅射厚度为10nm时,等离子共振吸收最强的循环层数为三层。纳米银颗粒共振吸收峰还受到周围环境的影响,可以通过改变纳米颗粒周围的介质环境来调控纳米银颗粒的吸收峰。银纳米颗粒在钛酸钡表面相比于石英片表面,吸收峰发生了明显的红移。通过引入具有高介电参数特性的钛酸钡,使银颗粒的吸收峰移动到可见光的范围内,便于银颗粒的吸收峰与荧光相耦合。(2)通过浸渍提拉的方法将CdSe量子点和所制备的纳米银颗粒复合在一起,选择450nm作为激发波长,便于激发波长和纳米银颗粒的等离子共振吸收峰值相接近耦合。结果发现CdSe量子点的发光强度得到了增强,最大的增强倍数可以到达8.7倍。发光的增强倍数与纳米银颗粒的等离子吸收特性有重要的联系。通过分析其中的增强机理,发光增强可能主要是由于所制备的纳米银颗粒和激发光相互耦合作用,增强了CdSe量子点周围的局域电场,提升了激发效率,属于耦合增强的机制。(3)利用溶胶凝胶的方法制备掺有稀土离子Er-Yb的BaTiO胶体,将胶体旋涂到所制备的纳米银颗粒的表面,使用980nm激光器激发,由于纳米银颗粒的作用,稀土离子Er-Yb上转换发光强度得到了增强,增强倍数可达到5.7倍。通过分析,这种发光增强主要可能是由于纳米银颗粒受到激发光的影响,产生了等离子共振效应,增强了局域电场的强度,进而达到了荧光增强的效果。本文所制备的银颗粒具有单位密度高、表面分散均匀、形貌规则、粒径分布均匀等优点,可以应用于荧光增强领域。