基于带间跃迁能量耦合调控复合纳米颗粒阵列局域表面等离子体共振特性研究

The localized surface plasmon resonance of Au nanoparticles is very sensitive to the surrounding dielectric medium. The wavelength of localized surface plasmon resonance could be tuned by temperature when combined with thermochromic vanadium dioxide (VO2) based on the variation of dielectric constant during the thermal induced insulator-metal phase transition.The sensitivity of localized surface plasmon resonance sensor could be improved by increasing the shift range of resonance wavelength. A new type of nanocomposites particle resonance structure Au/VO2/Au is proposed and the resonance wavelength will be tuned through the interaction of delocalizing strongly correlated electrons of VO2 nanoparticles and the collective excitation of free electrons in Au nanoparticles.The contents of research include the fabrication of Au and VO2 nanocomposite materials and resonance structure,the coupling mechanism of 3d strongly correlated electrons of VO2 and the localized surface plasmon resonance of Au nanoparticles and the insulator-metal transition properties in VO2.The interaction law of 3d electrons of VO2 and the localized surface plasmon resonance of Au nanoparticles will be obtained, and it will facilitate to increase the wavelength shift range and improve the temperature sensitivity of resonance sensors.

金纳米颗粒局域表面等离子体共振对周围环境介电常数变化非常敏感，与热敏电阻材料二氧化钒(VO2)相结合形成复合纳米颗粒阵列，利用热激励绝缘体-金属相变过程中介电常数可逆性突变使其共振波长具有温度调谐性。提高共振波长的移动幅度，是有效地提高波长型局域表面等离子体共振传感器灵敏度的重要方法。本项目提出设计一种金/VO2/金三明治复合纳米颗粒阵列调控结构，通过VO2纳米颗粒相变过程中3d能带电子的带间跃迁振荡对金纳米颗粒耦合形成的局域表面等离子体共振进行提高共振波长偏移量的调控机理研究。对所涉及的金与VO2纳米复合材料与结构制备、3d关联电子跃迁振荡与金纳米颗粒自由电子集体振荡之间的耦合机理和VO2纳米颗粒的相变特性进行研究，获得VO2纳米颗粒相变过程中3d电子带间跃迁对金纳米颗粒局域表面等离子体共振的能量耦合调控规律，增加VO2颗粒调控金纳米颗粒共振波长的偏移量，提高共振传感器的温度灵敏度。

金纳米颗粒局域表面等离子体共振对周围环境介电常数变化非常敏感的特性，对发生在其周围的生物分子特异性结合进行检测，这一特性使其可以制作成波长型局域共振生物传感器。这一生物传感器灵敏度的提高一直是研究人员努力研究的方向。.本项目提出将金纳米颗粒与热敏电阻材料二氧化钒(VO2)相结合形成复合纳米颗粒阵列，利用热激励VO2绝缘体-金属相变过程中介电常数可逆性突变的特性使其金纳米颗粒的共振波长具有温度调谐性。提高共振波长的移动幅度，是有效地提高波长型局域表面等离子体共振传感器灵敏度的重要方法。提出设计一种金/VO2/金三明治复合纳米颗粒阵列调控结构，通过VO2 纳米颗粒相变过程中3d 能带电子的带间跃迁振荡对金纳米颗粒耦合形成的局域表面等离子体共振进行提高共振波长偏移量的调控机理研究。对所涉及的金与VO2纳米复合材料与结构制备、3d 关联电子跃迁振荡与金纳米颗粒自由电子集体振荡之间的耦合机理和VO2 纳米颗粒的相变特性进行研究，获得VO2纳米颗粒相变过程中3d 电子带间跃迁对金纳米颗粒局域表面等离子体共振的能量耦合调控规律，增加VO2颗粒调控金纳米颗粒共振波长的偏移量。.项目已经实现了高性能VO2纳米结构的有效制备，其相变幅度可达3个量级，建立了金属钒纳米颗粒氧化过程理论模型，制作了多种金纳米颗粒与VO2的复合结构，实现了相变特性对纳米颗粒阵列共振特性的调控范围的增强。从理论上分析了VO2相变过程对共振波长的调控规律，建立了理论模型，有效的解释了共振波长调控范围的增大现象。有助于具有温度调控的高性能复合纳米颗粒阵列结构局域表面等离子体传感器温度灵敏度的提高，增强对生物分子特异性结合反应的检测，拓展其在温度相关领域的应用。