基于金/聚乙撑二氧噻吩核壳纳米结构的LSPR光学特性的实时与可逆调控研究

Localized surface plasmon resonance (LSPR) can make incident light be strongly absorbed, scattered and localized by gold nanocrystals. A modulation of this LSPR property can be achieved when an environment medium with controllable dielectric property is constructed around gold nanocrystals. However, materials that can function as the controllable media always have performance weaknesses, and difficulty in forming a complete and size-controlled environment around gold nanocrystals. Thus, the modulation of the LSPR property is greatly weakened. To solve this problem, we propose to prepare high-performance and size-controlled poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) shell on the surface of gold nanostructures, and employ an electrochemical approach to reversibly change the dielectric function of PEDOT shell, which will thereby give rise to a reversible and real-time modulation of the LSPR property. We will reveal the relationship between geometrical factors of the core/shell nanostructures and the electrochemically controlled LSPR property by using electrochemical dark-field spectroscopy and numerical simulation method. After optimizing the geometry of the core/shell nanostructure, we will fabricate the core/shell nanostructure arrays with different particle densities, and study the modulated LSPR property of the nanostructure arrays. Finally, we will prepare core/shell nanostructure films whose LSPR property can be tuned across the visible to near infrared spectral region. The films are expected to be applied in electrochromic devices.

局域表面等离激元共振（LSPR）导致外界光场被金纳米晶体吸收、散射和局域。此LSPR光学特性的调控可通过在金纳米晶体周围构建介电性质可控的环境来实现。然而，目前作为可控环境的材料往往存在性能缺陷，并难以在金纳米晶体周围形成完整且尺寸可调的环境，从而削弱了调控的性能。为了解决这一问题，本项目拟在金纳米晶体表面合成性能良好、完整且尺寸可调的聚乙撑二氧噻吩（PEDOT）纳米壳层，并采用电化学手段来快速可逆改变PEDOT的介电函数，从而实现对LSPR光学特性的实时与可逆调控。通过采用暗场光学显微与电化学测试联用的技术和数值模拟方法，揭示核壳纳米结构的几何因素与电化学调控下LSPR光学特性的关系。在优化纳米结构的基础上，合成具有不同颗粒密度的核壳纳米结构阵列，进而考察其在电化学调控下的LSRP光学特性。最后合成在可见-近红外波段具备可调LSPR光学特性的核壳纳米结构膜。该膜将有望应用于电致变色器件。

局域表面等离激元共振导致外界光场被贵金属纳米晶体吸收、散射和局域。此光学特性的调控可通过在贵金属纳米晶体周围构建介电性质可控的环境来实现。本项目提出在贵金属纳米晶体表面合成性能良好、完整且尺寸可调的半导体纳米壳层，从而实现对局域表面等离激元共振光学特性的调控。在碱性试剂脱掺杂和电化学技术控制有机半导体聚（3,4-乙撑二氧噻吩）（PEDOT）壳层结构掺杂程度的条件下，系统研究了五种不同大小的（金纳米棒核）/（PEDOT壳）纳米结构的局域表面等离激元共振性质变化规律，结果发现由原始纵向局域表面等离激元共振峰位为650纳米的金纳米棒所合成的（金纳米棒核）/（PEDOT壳）纳米结构的共振性质的变化最明显，具体表现为等离激元共振峰峰位移动量最大。采用时域有限差分法方法模拟计算了在PEDOT掺杂和脱掺杂调控下的单个颗粒散射光谱，结果表明纳米结构处于掺杂态下的等离激元共振峰位、具有波长依赖性的PEDOT介电函数实部的变化量是决定调控等离激元光学特性的决定性因素。采用超临界流体技术合成掺杂的无机氧化物纳米颗粒。与掺杂的无机氧化物纳米颗粒的宽带光学性能调控对比，（金纳米棒核）/（PEDOT壳）纳米结构的光学性能调控主要体现为峰位的改变而非强度变化。在上述对（金纳米棒核）/（PEDOT壳）纳米结构的窄带等离激元性能调控研究的基础上，本项目对铂纳米晶体的宽带等离激元性能进行了研究。通过控制无机半导体二氧化铈纳米壳层与铂纳米晶体内核的间隙空间，从而实现了对宽带等离激元性能的调控。铂/二氧化铈核壳纳米结构因具有独特的宽带光吸收特性和光生电子能力而有望进一步应用于光动力、光热治疗领域的研究。（金纳米棒核）/（PEDOT壳）纳米结构所组成的阵列结构则可应用于pH传感器和电致变色器件。总而言之，该项目研究的成果为纳米尺度上的动态光学调控提供新的理论和实验参考。