电介质上金属薄膜的低能离子束表面纳米化及其光学性质的研究

Optical properties of low–dimensional solid–state systems have attracted considerable attention because of their technological significance. The best–known optical property of metal nanoparticles embedded in glass is the localized surface plasmon resonance (LSPR) and the applications in surface enhanced Raman spectroscopy (SERS). Compared with chemical synthesis methods, the noble metal nanoparticles formed by ion irradiation draw significant interest in recent years because of the strong adhesion of nanoparticles with dielectric substrates. Therefore, a detailed study of ion irradiation induced surface nanostructuring of noble metal films on dielectric substrate was proposed in this project. Firstly, hydrogen ion–beam induced suface nanostructuring, the dewetting of noble metal films and the burrowing of the resulted nanostructures will be studied. Secondly, the tunning of LSPR absorption band through ion irradiation by controlling the nanoparticle’s size and shape will be studied. Further control of LSPR absorption band over a wider range could be achieved by synthesizing bimetallic nanoparticles fabricated in the form of alloys of two metals. Thirdly, LSPR’s dependence on the substrate will be studied by introducing single crystal aluminium oxide, on which the ion irradiation induced surface nanostructuring of the bimetallic films was expected to be different from that on the amorphous silica glass substrate. With the experimental facility and accumulated experience, this project could be completed successfully.

由于工程上的重要性，低维固体系统的光学性质引起科研人员的广泛关注。最为人所知的光学特性就是金属纳米粒子的局域表面等离子体共振效应（LSPR）及其在表面增强的拉曼谱仪（SERS）方面的应用。与传统的化学合成法相比，离子束辐照的方法使得贵金属纳米粒子跟基底材料的粘和性更强。因此，离子束辐照制作贵金属纳米粒子的方法引起了科研人员的注意。据此，本项目拟采用离子束辐照的方法，来研究离子束引起的电介质表面贵金属薄膜纳米化的过程。首先研究氢离子束辐照引起金薄膜的纳米化、金薄膜的反浸润过程以及由此产生的金纳米粒子埋入基底材料的过程。其次，我们预期通过改变离子束的辐照参数来控制所生成金纳米粒子的大小跟形状，以达到调制纳米粒子光学特性的目的。最后，我们引入金银二元合金的纳米粒子以及不同的基底材料，以期待在一个更广阔的范围内对贵金属纳米粒子的光学特性实现调制。本团队拥有自主的辐照实验装置，长期从事离子束材料改性的研究，为本工作的开展积累了经验。

近年来，贵金属纳米颗粒的光学性质引起科研人员的广泛关注，尤其是贵金属纳米颗粒在表面等离子体共振的激发（LSPR）及其表面增强的拉曼散射（SERS）方面的应用。与传统的化学物理方法相比，载能离子束辐照能在任意基底上生成单层的、粘和性更强的贵金属纳米颗粒。据此，本项目采用载能离子束辐照的方法，基于预期的研究内容，完成了以下三方面的研究工作：. 1、借助日本北海道大学能源材料融合研究中心的离子束辐照平台，利用低能Ar离子辐照蒸镀在SiO2玻璃表面的贵金属纳米薄膜，得到了具有表面离子体激发特性的贵金属纳米颗粒；进一步研究了SiO2基底上金纳米结构在Ar离子束的作用下埋入石英玻璃基底的过程，以及埋入深度对纳米颗粒光学特性的影响。. 2、完成了本实验室超高真空镀膜系统上膜厚监测仪的校准，实现了各种基底上贵金属纳米薄膜厚度的精确控制；借助本实验室的低能离子束辐照平台，完成了SiO2玻璃表面金纳米薄膜的辐照工作，进行了离子种类、辐照剂量、以及金纳米薄膜厚度与辐照后薄膜表面形貌和光学特性的相关性研究。. 3、利用离散偶极近似方法研究了电介质上贵金属纳米颗粒远场和近场的光学特性，通过对比单个的、两个相邻的纳米颗粒在SiO2基底上的吸收光谱和纳米颗粒周围电磁场的分布，分析了邻近纳米颗粒之间的强耦合作用。. 在该项目的实施中，由于实际条件的限制，最终无法用电子束辐照的方法获得类似于离子束辐照方法所能制备的金纳米颗粒，因此无法评估离子束表面纳米化方法中由于离子束混合作用而引入的Si杂质对金纳米颗粒光学性质的影响。因此无法获得研究内容中第二项的预期目标。此外，本项目基本按照预定目标实施，无调整和变动情况。. 综上，本课题基本完成了研究任务和目标。受该项目资助，课题组已联合发表SCI论文6篇；联合培养硕士研究生2名；2人参加国际会议，4人参加国内会议。本项目的执行为我们在低能离子束材料表面纳米化方向的研究打下了良好的基础。