表面等离子体因为其独特的性质,如表面局域和近场场强增强特性,可广泛用于生物传感器、成像、太阳能电池和纳米尺度的光电器件等领域。金属纳米结构,尤其是贵金属纳米结构的光谱性质实际上可以反映表面等离子体的光学性质。因此,贵金属纳米结构的光学性质引起了科学研究人员的极大兴趣。本文系统地介绍了表面等离子体的发展历史、特性、应用以及有关贵金属纳米结构光学性质的研究进展。研究了具有创新性的电子束刻蚀法制备的贵金属(银和金)纳米结构的光学性质和应用。本文的主要研究成果和结论如下：1.研究了室温、空气气氛下放置的银纳米棒的不稳定性。在室温、空气气氛下放置的银纳米棒随着放置时间的增加,其消光光谱出现了红移、宽化和衰减。我们将扫描电子显微镜观察和理论模拟两种途径相结合,用以分析消光光谱产生这些变化的原因,得到的结果将光谱变化归因于银的硫化和银纳米棒的结构破坏。我们也讨论了银纳米棒长宽比对其光谱变化产生的影响。2.为了解决银的不稳定性,设计并制备了由银、金组成的双层纳米棒结构。这是首次利用电子束刻蚀法成功制备银/金双层纳米结构。金层在银层的上面。对这种双层纳米棒的光学性质做了研究。与单层银纳米棒相比,上面覆盖有金层时,纳米棒的L模式的消光光谱发生蓝移,T模式的消光光谱发生了红移。对银/金双层纳米棒的局域场强增强因子也做了模拟研究,其最大值仅为单层银纳米棒的一半。我们也讨论了银/金双层纳米棒的长宽比对其光谱的影响。3.由于金的价格比较贵,所以我们用比金便宜且具有很好的抗腐蚀性能的钛取代金,将它覆盖在银纳米棒表面。我们不仅研究了这种双层纳米棒的光学性质,还进一步研究了钛层的厚度对银纳米棒的保护作用的影响。我们发现表面有钛层的银纳米棒在室温、空气气氛中放置2-3个月后,其消光光谱和形貌没有明显变化。这说明钛层可以有效地保护银,从而稳定局域在银纳米结构的表面等离子体的性质。4.我们用理论模拟方法系统地讨论了构成金纳米蝴蝶结结构的金三角形的顶角角度大小和两个顶角相对的等腰三角形间的反馈间隙大小对局域在金蝴蝶结纳米结构的局域表面等离子体共振波长,消光系数和局域近场场强增强的影响。并且发现用电子束刻蚀法制备的金纳米蝴蝶结的消光光谱与模拟结果基本符合。这个研究可以指导我们设计局域表面等离子体共振峰在我们所需波长或局域近场场强增强最大的金属纳米蝴蝶结结构。5.利用局域在贵金属纳米结构的局域表面等离子体增强发光和拉曼散射。我们观察到掺在摩尔组成为60SiO2-20Al2O3-20CaF2-0.3Tb3+-20Yb3+的微晶玻璃内的Tb3+离子在微晶玻璃表面有银纳米棒区域测得的发光强度增强了1.6倍左右。通过局域表面等离子体峰与Tb3+离子的激发波长的匹配和在Tb3+离子的激发及发射波长处的局域近场场强的模拟研究,我们认为Tb3+离子的发光增强归因于局域近场场强增强对银纳米棒结构附近的Tb3+离子的作用,以及局域表面等离子体与银纳米棒附近的Tb3+离子的对应于其激发能量的7F6 to 5D4跃迁的耦合。此外,我们还对利用局域表面等离子体来实现拉曼散射增强的研究做了初步探讨,发现在呈棋盘状紧密排列的金纳米盘上的结晶紫的拉曼散射信号在785 nm激光激发下增强了,而在514 nm激发下则基本没有观察到拉曼散射增强。由于局域表面等离子体共振峰780 nm与激发拉曼散射光谱的激光波长785nm匹配,且最大局域场强增强因子为1650左右,我们将表面增强拉曼散射效应归因于局域近场场强增强和激发光与局域于结晶紫分子附近的金纳米结构的局域表面等离子体的耦合。
