金属-介质多层纳米颗粒阵列的光热效应与辐射特性

Photothermal effects are considered as a side effect in the utilization of plasmonic devices, but from another perspective, metal nanoparticles can be severed as optically controllable nano heat sources to achieve nanoscale heat control. There two apporaches for controlling the temperature profile by metal nanoparticles, the first is to change the optical properties of the system, the second is to change the thermal conductivity of surrounding medium. Current research mainly focus on the first approach, however, the multilayer metal–dielectric nanoshells could change the surface temperatures through the second approach, which aslo has tuanable optical properties and strong infrared radiation..We propose to establish a semi-analytical method for calculating the photothermal effects of nanoparticle aggregates, and study the effect of the dielectric layer and plasmonic coupling on the temperature profiles and radiation properties of multilayer metal–dielectric nanoshell arrays. The successful implementation of the project can give rise to the related research fields, including biomedical therapy, photothermal imaging and photovoltaic applications.

金属的光热效应被认为是制约等离激元光子学器件的性能和实用化的一个重要因素，但是从另一个角度来看，金属纳米颗粒可以作为光学可控的“纳米热源”，实现纳米尺度的热操控。使用纳米颗粒调控微区温度分布有两个途径：1.调节系统的光学性质；2.改变金属颗粒周围的热传导系数。目前的研究主要局限于第一种途径，而多层金属-介质颗粒颗粒可以通过第二种途径改变表面温度，并且具有高度的光学调节度和更好的红外辐射效率。.本项拟发展一种金属纳米颗粒聚集体光热效应的半解析计算方法，研究介质壳层以及等离激元耦合对多层金属-介质颗粒阵列温度分布和辐射特性的影响。本项目的成功实施对相关的研究领域，尤其是生物医学诊疗、光热成像以及热光伏太阳能电池等领域将会起到推动作用。

金属纳米颗粒可以作为光学可控的“纳米热源”，使用纳米颗粒调控微区温度实现纳米尺度的热操控具有重要的应用价值。本项目围绕多层纳米颗粒及其聚集体的光热效应的理论和实验开展研究，取得以下几个方面的进展：基于广义多粒子MIE理论和格林并矢方法建立了金属-介质多层纳米颗粒及其聚集体的光热效应的半解析求解方法；建立了电磁-导热-辐射耦合效应的三维多物理场COMSOL有限元模型，能够计算任意结构的纳米颗粒的光学特性和瞬态温度响应；对金属-介质多层纳米颗粒及其聚集体的温度调控进行了理论分析，研究了介质层、颗粒形状以及等离激元耦合对微区温度分布的影响；提出一种Au/TiO2双层复合纳米颗粒及异质结的液相合成方法，实现金纳米颗粒与二氧化钛纳米颗粒的界面有效耦合，而且能根据实际应用的需要，方便地控制金颗粒的大小；以种子生长法和Galvanic取代法为基础，实现了多种金银多层纳米颗粒的可控制备；完成了多层平板结构电磁场的解析求解，推导出界面上传热方程非均匀网格的差分格式，实现了瞬态传热方程的有限差分求解。项目的研究成果为金属纳米结构光热效应的研究提供了坚实的理论基础和实验参考，并将促进光热成像、生物传感以及太阳能电池等相关领域的进一步发展。