贵金属纳米结构的可控组装及其局域场耦合效应研究

In recent years, the controllable growth and optical property of noble metallic nanostructures are particularly attractive in many research fields. In contrast to the explosion of plasmonic nanoparticles of various shapes, design and realization of the controlled discrete assembly of desired nanoparticles with small gaps, and consequent field enhancement through the localized field coupling remain challenges at present. Based on our privious research on the shape-controlled noble metal nanostructures and core-shell nanostructures, four closely related research items will be involved in this project. 1) Further study on the preparation, growth mechanism and optical properties of new Au and Ag nanostructures with rich sub-structures of sides, corners, edges, steps and dendrites. 2) Design and realizations of Au and Ag nanoparticles in controllable assembly (with an emphasis on the ene-end and side-side coupled Au nanorods)，surface functionization and further surface coating with dielectric medium of these interacting nanostructures. 3) Investigation on the coupling phenomena at the "hot spots" based on the optical measurements and Finite Difference Time Domain (FDTD) simulations, such as polarization- and geometry- sensitivity of surface plasmon resonance,localized and propagating surface plasmon, localized field and coupling effect of metal-metal and metal-dielectric complex nanostructures; 4) Study on the luminescence efficiency of light conversion nanomaterials doped with metal nanostructures, taking the advantage of strong localized field enhancement of metal nanoparticles. Through further experimetntal and theoretical investigations, we aim to establish the growth mechanism, shape-dependent optical properties of metal nanostructures, and get better understanding on the coulping surface plasmon resonance and field enhancement of nanostructures with different morphology. The project is also aimed at exploiting and further resolving the scientific problems that arising from technologic applications that related to the surface plsmon and coupling localized electric field.

近年来，贵金属纳米结构的可控生长及其光学特性引起诸多领域的关注。如何控制特定纳米颗粒单体组装，并通过耦合效应实现局域场增强仍是具有挑战性的课题。在研究基础上，本项目拟开展：1）富含边角、台阶、多枝晶等亚结构的新型Au、Ag纳米晶合成与光学特性研究；2）设计并实现Au、Ag纳米结构的可控组装（重点是Au纳米棒端-端、边-边耦合）与介质包覆；3）光学测试结合FDTD模拟研究表面等离激元共振（SPR）与形貌、组装方式及光偏振方向的关系，局域及传播等离激元特性，金属-金属及金属-介质复合纳米结构的局域场耦合效应；4）利用金属纳米颗粒的局域场，研究其与转光材料复合后的荧光效率。本项目旨在进一步阐明新型Au、Ag纳米结构的形貌与光学性质相关性，更好地了解不同纳米结构SPR耦合及局域场增强规律；为进一步研究和解决贵金属纳米材料基于等离激元及局域场耦合效应在应用中遇到的科学问题提供理论依据和实验参考。

近年来，贵金属纳米结构制备及光学特性引起诸多领域的广泛关注。与不同形貌纳米颗粒单体合成相比，设计并合成均一的、富含亚结构的贵金属纳米结构，将纳米结构单体可控组装成结构单元，进而利用耦合效应实现局域场增强仍是具有挑战性研究课题。在我们贵金属纳米结构可控合成和光吸收性质研究基础上，本项目在以下几个方面的研究成果简述如下：. 1）新型Au、Ag等金属纳米晶合成与光学特性研究：在贵金属纳米晶合成基础上，进一步优化实验参数，合成了富含边角、台阶的纳米片，超细纳米线，核-壳/空腔等新型贵金属纳米结构，并研究单体纳米结构的生长机制、实验和理论光谱。对比研究了Au、Ag纳米棒的SPR特性、光-热效应、稳定性、局域场增强和SERS特性。结合FDTD模拟，研究了金属-金属、金属-介质-金属等结构的场耦合效应，为进一步提高局域电场提供理论指导与实验基础；. 2）Au、Ag纳米结构的可控组装：通过不同有机分子偶联实现了Au纳米棒端-端、边-边组装， 控制耦合颗粒间距为数个分子大小至几个纳米，研究表明纳米结构的组装模式和程度强烈依赖于表面改性分子基团和溶剂性质。实验结合FDTD模拟研究了组装体系及空腔纳米结构的SPR耦合规律及场增强基本规律； . 3）Au、Ag纳米结构单体及其组装体的表面包覆：通过修饰纳米棒表面和头端，结合溶胶技术，实现了单分散的纳米棒单体及其组装体系的表面增益介质介孔二氧化硅的均匀包覆。纳米结构表面增益介质的均匀包覆，提高了纳米结构的稳定性，提高局域场强度的同时又降低材料的生物毒性;更为重要的是，这种介孔壳层结构为具有良好光学纳米结构在生物医学应用提供重要的参考价值；. 4）贵金属-转光材料的复合:利用贵金属的SPR及其局域场效应，改善发光材料的发光效率。在解决晶格不匹配的问题上需要在界面间引入螯合剂；为抑制荧光淬灭问题，需要在金属和稀土纳米颗粒间引入隔离层。实验发现：金纳米棒表面较高浓度的CTAB 会阻碍稀土或隔离层的包覆；过低的温度使反应无法进行，过高的退火温度会使内核的金纳米棒发生退化，等离激元共振峰频率移动或共振减弱。. 本项目实施期间，共发表学术论文30余篇，申请发明专利3项，参加国际学术会议和研讨会20人次，国内工作交流5人次，培养硕士研究生15名，博士6名，毕业研究生9名，3名研究生获得研究生国家奖学。