非对称金属纳米粒子结构的可控组装及表面等离子体性质研究

Strongly coupled metal particle nanostructures, especially asymmetric structures, have attracted an increasing research interest in recent years due to their potential applications in optoelectronics,bioengineering, chemical engineering. Although considerable progress has already been made in the isotropic assembly of nanoparticles extending over a wide range of materials with symmetrical structures, a formidable challenge is controllably assembling and positioning nanoparticles into desired asymmetric structures. In this proposal, asymmetric colloidal metal nanoparticle structures with different size, shape and materials component will be designed and fabricated by using the groove structure as template. Experimental and theoretical results can be combined to interpret the coupling effect of plasmon resonance properties in the asymmetric metal particle nanostructure. Asymmetric structures with strongly coupled effect can be achieved by optimizing the structure design. This work may provide the theoretical and experimental basis for the designing and fabricating of new active plasmonic device.

具有强耦合效应的金属纳米粒子结构在光电子、生物工程、化工等领域具有重要的应用前景。目前对称的金属纳米粒子结构已取得很大进展，但非对称金属纳米粒子结构的构建还是一个难题。本研究拟以凹槽结构为模板，通过对金属纳米粒子表面双电层性质的调控，实现非对称金属纳米粒子结构的可控组装。通过实验和理论计算结合揭示不同拓扑形貌，不同尺寸、形状和组分非对称结构的表面等离子体共振性质。通过结构优化设计实现具有强耦合效应的非对称金属纳米粒子结构的可控组装，以期为新一代表面等离子体光电子器件的设计和构建提供理论和实验依据。

探索非对称性的金属纳米结构的强耦合表面等离子体共振性质，对发展新型高效率、超敏感的表面等离子体光电子器件有着深远的意义。本项目利用基底表面静电场作用，通过调控胶体纳米粒子之间，以及纳米粒子与基底表面的协同相互作用，建立不同尺寸的非对称性的金属纳米粒子结构的可控组装的方法。首先合成球形、刺状和五重四层非对称性的高质量金属纳米粒子，利用透射电子显微镜、动态光散射粒度分布仪和Zeta电位分析仪分别表征纳米粒子的尺寸、分散性以及胶体粒子表面双电层性质。根据金属胶体纳米粒子的特性，从球形金纳米粒子出发，采用不同尺寸的球形金纳米粒子，同时利用改变溶液的离子强度来调控胶体粒子表面双电层的厚度和胶体纳米粒子的有效尺寸。利用电子束刻蚀技术制备诱导组装的凹槽模板，同时根据所用纳米粒子的表面电荷特性，对凹槽底部的进行功能化修饰，构建不同尺寸的球形金纳米粒子组装形成的非对称性的金纳米粒子结构。利用可见光和近红外的暗场显微镜分光光谱仪研究光在非对称性的金纳米粒子结构的表面等离子体共振的传播和耦合性质，系统地研究非对称性程度对表面等离子体共振的耦合性质的影响。利用表面增强拉曼验证得到的不同拓扑形貌的金属纳米粒子结构的强耦合表面等离子体共振性质。通过理论计算模型，对纳米粒子结构进行优化设计，调节表面等离子体的共振性质，实现具有强耦合效应的非对称性纳米粒子结构的可控组装。进一步利用金纳米粒子结构的强耦合效应，如光天线效应等，开发具有自主知识产权的新型表面等离子体光电子器件，如光开关、太阳能电池等。共发表19篇SCI论文，包括Acc. Chem. Res.，Energy Environ. Sci.，Adv.Mater.，Adv. Funct. Mater.等，其中IF＞10的5篇，10＞IF＞7的11篇，共申请国家发明专利5项，已授权3项。此项目已实现了强耦合金属纳米结构的设计与性能调控，并开发了如白光LED、OLED、太阳能电池、高敏感的开关器件、光电探测器等一系列光电增强器件，为性能的提升提供了强有力的科学依据，具有重要的科学价值。