金属纳米粒子“远场”表面等离子体共振的形状和尺寸效应研究

作     者：庄一琦 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马於光

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）] 070204[理学-等离子体物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：金属纳米粒子 远场效应 尺寸 表面配体 电学效应 

摘      要：金属纳米粒子的光学和电学效应,可以对有机发光二极管(OLED)的性能进行大幅度的增强,近几年引起了学术界的广泛关注。我们课题组在国际上首先提出利用金属纳米粒子“远场表面等离子体共振(FSPR)增强有机电致发光,重现性好,可以使用金纳米球轻松实现对红、绿、蓝和白光的发射增强,在溶液加工制备有机发光二极管方面有着非常大的潜力。与局域表面等离子体共振效应,散射效应类似,远场效应对金属纳米粒子的尺寸、形状及表面配体等有着强烈的相关性。本论文主要讨论金属纳米粒子“远场表面等离子体共振的形状和尺寸效应,主要包括以下三个方面内容:1.不同尺寸,形状和表面配体金纳米粒子的合成表征及对OLED的增强效应。我们合成了直径5-20 nm的金纳米球和纳米棒,并将其掺杂到OLED的PEDOT:PSS层中,以P-PPV为有机聚合物活性层制备正装OLED器件。实验结果表明配体浓度小于临界值的情况下,金属纳米粒子的引入对于器件性能的负效应可以忽略不计,所得器件具有良好的增强效果重现性和高于参比的寿命。在此基础上我们比较了不同形状尺寸的纳米粒子及不同掺杂浓度时的增强效应。对于同种纳米粒子,其增强效应随着纳米粒子的浓度的增加先增强后减弱;达到最好的增强效果时,大尺寸纳米粒子增强的最佳值明显好于小尺寸的,且所需要的金纳米粒子的浓度相对较少。金纳米棒的增强效果明显好于金纳米球。2.对金纳米粒子增强器件性能进行了机理的研究。首先,我们利用荧光寿命、变角度电致发光光谱等实验,证明了我们器件结构中的增强效果来源于FSPR效应,排除了近场效应、光散射效应及电学效应的影响;进一步,我们利用远场理论模型对于不同尺寸和形状纳米粒子的远场效应进行了模拟,对于上一章中实验现象进行了合理的解释。根据远场理论,金属的反射率和因反射引起的相位差在影响增强因子上起着至关重要的作用,这两个参数都是金属纳米粒子形状和尺寸的函数。利用FDTD对各种金纳米粒子的反射率进行了模拟,证实了大尺寸的金纳米粒子对应更高的反射率导致了 FSPR效应有着更好的增强效果,运用远场理论公式计算的结果与实验结果是一致的;通过改变器件厚度,研究了不同金纳米粒子表面与发光剖面最佳增强距离,得到了最佳增强距离对应的相位差和纳米粒子尺寸。总体来讲,利用大尺寸金纳米粒子的FSPR效应对器件性能的增强效果更好,源于高的反射率和合适的相位差。拥有高反射率且合适的相位差的金属纳米粒子对OLED的性能增强有重大意义。***304纳米粒子的电学效应增强OLED性能。我们使用研磨的方法合成了尺寸相对均一的Fe304纳米粒子,并将Fe304纳米粒子引入OLED器件中提高了器件的性能,电流密度和发光亮度的增强暗示着Fe304纳米粒子的电学作用增强了载流子的注入和传输,这种廉价,制备方便,电学效应显著的Fe304纳米粒子对器件性能的增强是非常有意义的。