表面等离激元增强型金/稀土上转换复合纳米材料的构筑与光学性能研究

This project will focus on the synthesis, plasmon-induced fluorescence enhancement, and optical properties of gold-nanorod/rare-earth upconversion nanocomposites. Firstly, we will use the solvothermal synthesis method to fabricate gold-nanorod/rare-earth nanocomposites with different structures by pre-coating suitable isolated layers to overcome the lattice mismatch, and will research on the formation mechanism of the microstructure of the joint between the two different components for guiding high-quality material fabrication. Then, we will perform the optical measurements and theoretical simulations of the nanocomposites, and research on the interaction between the metal and rare-earth components. Furthermore, we will find out the methods to regulate the surface plasmon resonance properties, enhance the upconversion fluorescence, and improve the optical performance of the nanocomposites by controlling their structure, junction state of the hybrid components, and interlayer thickness. Finally, we will try to develop the gold/rare-earth upconversion nanocomposites with board excitation spectra, strong fluorescence, and multifunctionality. We believe the implementation of this project will develop new synthesis method of the upconversion nanocomposites, improve the research of the mechanism of plasmon-enhanced fluorescence, and lay a scientific foundation for the applications of upconversion photoelectronic materials and devices.

本项目拟以金纳米棒/稀土上转换复合纳米材料为研究对象，研究其构筑技术、表面等离激元荧光增强机制和材料的光学性能。项目拟采用溶剂热法，以金纳米棒为前驱物，通过包裹合适的隔离层以减小晶格失配，进而构筑多种不同结构的金/稀土上转换复合纳米材料；研究材料异质单元连接处的微观结构，澄清结构的形成机理，以实现高质量的材料构筑。项目进而通过理论模拟分析和光学性质测试，探索表面等离激元与稀土发光体相互作用的物理机制。通过控制复合材料的结构、异质单元的结合方式和隔离层厚度等调控表面等离激元共振特性，优化材料的各项光学性能，并实现最佳的荧光增强效果，力争开发出系列具有宽激发谱、高发光强度和丰富光学性能的金/稀土上转换复合纳米材料，并探索其应用前景。本项目的实施有望推动上转换复合纳米材料构筑技术的发展，促进表面等离激元与纳米发光体相互作用物理机制的研究，并为纳米级上转换光功能材料和器件的推广应用奠定科学基础。

本项目中，我们以金/稀土复合纳米材料为研究对象，研究了这一类复合材料的制备方法、表面等离激元荧光增强机制和材料的光学性能，取得了系列成果。首先，我们研究了稀土钒酸盐化合物的制备方法，用均相沉淀-阴离子置换法制备了YVO4：Eu3+, YPO4:Ce3+,Tb3+, NaYF4:Yb3+, Er3+等上转换和下转化纳米结构，这些中空的纳米粒子表现出明亮的荧光特性，在荧光标记、药物输运等方面有潜在的应用价值。再次基础上，我们研究了金纳米棒/稀土盐酸盐复合物的制备方法。采用溶剂热法，使用金纳米棒作为生长种子，将覆盖在金纳米棒表面的十六烷基三甲基溴化铵置换为油酸钠；利用油酸根的螯合性在温和的碱性环境中成功实现了的稀土氧化物（Gd2O3:Eu）的外延生长，继而借助阴离子交换反应将稀土氧化物转化为稀土钒酸物（GdVO4:Eu）。所制备的金/钒酸钆掺铕纳米核壳结构（Au/GdVO4:Eu NRs）在近红外区有巨大的吸收截面、表现出优秀的光热转化特性；并且，通过改变掺杂离子（如钐、镝等），制备得到了多色荧光复合材料。此项研究为金纳米棒表面多种其他稀土化合物的外延生长提供了一种有效方法。接下来，我们提出了一种新颖且高效的方法直接在金纳米颗粒表面包覆稀土钒酸盐来合成多功能的金/稀土化合物核壳纳米结构，并揭示了生长过程中Cit3-离子的重要作用。该方法简单而方便，可以应用到合成各种各样的金属/钒酸盐的异质性纳米结构中。此外，我们通过光学性质测试，探索了表面等离激元与稀土发光体相互作用的物理机制。本项目研究为贵金属/稀土复合纳米材料构筑技术的发展提供了新思路，促进了表面等离激元与纳米发光体相互作用物理机制的研究，也为纳米级上转换光功能材料和器件的推广应用奠定了科学基础。