大面积多元化表面等离激元金纳米粒子结构的制备

具有显著表面等离激元共振效应的贵金属纳米粒子因其独特的光电学性质在许多领域表现出了潜在的应用价值. 结合纳米压印技术与自组装技术发展了一种高效的多元化纳米粒子结构的制备方法, 并制备了一种由不同尺寸金纳米粒子构成的周期性表面等离激元纳米粒子结构. 实验结果证明此种方法在大批量制备和结构多元化的控制方面具有独特的优势. 利用不同的表面等离激元纳米粒子结构对不同荧光分子增强效果的差异, 设计了2种具有明显明暗差异的荧光条码, 展示了多重的荧光增强响应.     

等离激元表面晶格共振研究进展

当金属纳米粒子排列成有序阵列结构时,沿阵列平面内传播的衍射波与单粒子局域等离激元共振耦合,将导致等离激元共振急剧窄化,光谱宽度降至2 nm以下.与共振宽度在80 nm以上的常规单粒子共振相比,这种具有高品质因子的衍射耦合等离激元共振称为等离激元表面晶格共振.近年来,关于表面晶格共振研究已成为纳米光子学领域的研究热点,在发光、激光、光伏、通讯、存储以及传感等领域显示出巨大的应用前景.本文主要综述等离激元表面晶格共振的基本原理和性质,包括共振宽度、共振品质、电场增强,探讨了表面晶格共振的测试方法、影响因素以及纳米光学应用.     

金/铜纳米异质界面的电荷转移等离激元调控

金属纳米结构由于其独特的局域表面等离激元共振现象而倍受关注,对催化、传感、纳米医学以及光学器件等具有重要意义.电荷转移等离激元共振强烈依赖于纳米单元间的导电结点,可产生频率连续可调的共振光吸收和光散射,为获得高度局域化的增强光磁场和光热效应提供了可能.然而,受制于已有构筑手段和有限的结构种类,相关研究仍处于初级阶段.针对此,本工作发展了一种十分简单、有效的Au/Cu纳米异质结点调控策略,利用廉价易得的天然DNA分子在金纳米粒子“种子”表面发生非特异性吸附,有效控制铜在金表面发生异相成核时的相间接触面积,得到导电结点宽度连续可调的电荷转移纳米粒子二聚体.实验光谱和理论模拟显示,结点宽度、铜和金纳米粒子的尺寸是决定电荷转移等离激元性质的重要参数,其分别可由DNA吸附量、Cu²⁺加入量和金纳米粒子尺寸加以控制,进而实现共振波长在可见至近红外区的宽广调节.通过与其它吸附分子对比证明了DNA吸附调控模式的独特性.这种具有可调控导电结点的双金属纳米异质界面为实现电荷转移等离激元共振与催化和传感等功能的集成以及相关应用探索奠定了重要基础.     

表面等离激元金属纳米粒子的多元化结构及应用

目前, 单一的金属纳米粒子结构已经难以满足多学科交叉发展的需求. 因此, 将多种金属纳米粒子(如不同尺寸、 形状、 组分等)集成在同一基底表面, 能够充分发挥不同金属纳米粒子的性质和优势, 极具研究价值和应用价值. 本文介绍了多元化表面等离激元纳米粒子结构的构筑方法, 以及其在信息编码、 光电器件、 能源催化等领域的应用. 最后, 提出了当前在多元化结构制备中存在的挑战, 并展望了利用多元化结构实现性能提升的前景.     

基于等离激元热电子调控的全谱光催化产氢增强（英文）

等离激元效应在光催化体系中的集成为实现广谱光吸收提供了一个新的途径,然而等离激元热电子的较低迁移率和不确定扩散方向使得其光催化效率仍较低.等离激元金属与n型半导体接触后,其界面间会形成肖特基结.在特定波长太阳光照射下,等离激元金属将其表面等离子体能量聚集在表面自由电子上,进而产生热电子.当这些热电子具有的能量高于肖特基势垒时,热电子便可注入到半导体导带上.与此同时,半导体上的电子可以通过肖特基接触发生回流,与金属上的空穴复合,进而降低半导体-等离激元金属复合材料的光催化性能.因此,为了提高光催化效率,如何调控等离激元热电子迁移和充分利用等离激元效应是一个重要挑战.本文尝试将"表面异质结"与肖特基结相结合的复合结构,得以有效地调控等离激元热电子的迁移.在该复合结构中,金纳米颗粒和铂纳米颗粒分别作为等离激元吸光单元和助催化剂,集成在TiO_2纳米片表面.其中"表面异质结"是由TiO_2纳米片的两种不同表面晶面所构成,我们选择由{001}和{101}两组晶面组成的TiO_2纳米片作为半导体衬底.该结构中的{001}晶面导带能级高于{101}导带能级,因而电子由高能级的{001}流向低能级的{101}晶面,可以用来引导等离激元热电子从可见光响应的金纳米颗粒向TiO_2进行高效转移.通过巯基丙酸的桥联作用,将等离激元Au纳米颗粒锚定在TiO_2纳米片的{001}晶面上,获得Au-TiO_2{001}样品.另一方面,利用TiO_2纳米片自身光生电荷导向性光沉积,得到与{101}晶面结合形成的Au-TiO_2{101}样品.我们对两组样品进行光电流和光催化产氢实验对比,确认在"表面异质结"诱导下Au-TiO_2{001}样品中Au产生的光生热电子可以更好地注入到TiO_2纳米片导带上.我们进一步通过光沉积Pt纳米颗粒来判定光生电子所能到达的区域,验证了以上结论.与此同时,肖特基结由铂纳米颗粒与TiO_2纳米片所形成,可以促使电子由TiO_2向铂纳米颗粒进行转移,而避免发生向金纳米颗粒的反向迁移,从而在Au-TiO_2体系中实现高效的单向载流子转移.基于该设计,等离激元光催化剂实现了明显改善的全谱光催化产氢性能.本文为全谱光催化的复合结构理性设计提供了一个新的思路.     

金属纳米粒子增强有机光电器件性能研究进展

金属纳米粒子以其特殊的体积效应、量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应提供了诸多优异的光学和电学性能.实验表明,利用金属纳米粒子的光学和电学效应可以有效提升有机光电器件的综合性能.目前在有机发光二极管器件中流明效率最好的增强效果为150%,在有机光伏器件中功率转换效率最好的增强效果为70%,特别是在一些高效有机光电器件中的成功应用,虽然增强的比例相对较低,但是器件效率基数大,最终得到的器件性能相当优异.这些性能提升的主要机理包括表面增强荧光、等离激元光捕获、能量转移、电学效应、散射效应等.本文以金属纳米粒子的表面等离子体共振效应和电学效应为主线,按照不同纳米粒子及器件中的修饰位置进行分类,系统总结了金属纳米粒子提高有机发光二极管器件和有机光伏器件性能方面的工作.针对纳米粒子的局域表面等离子共振效应作用范围小,增强波长单一等问题,总结了一些新的设计思路如远场增强效应、纳米粒子和激子剖面的调控与匹配及散射增强效应等,希望为进一步的结构设计提供帮助.     

应用于有机加氢反应的等离激元催化材料设计

金属纳米晶体具有独特的表面等离激元特性,为太阳能转换成化学能提供了新的机遇。本文以课题组近期的研究工作为例,阐述在催化有机加氢反应中表面等离激元效应所产生的多种物理过程的作用机制。该系列工作实现了太阳能向化学能的有效转换,为太阳能替代传统有机化工中的热催化提供了可能性,对等离激元催化材料的设计具有一定的指导意义。     

Au/Pt纳米柱阵列电极的制备及光电催化氧化甲醇性能

利用纳米压印、 电沉积和气相沉积方法构筑了有序均一的Au及Au/Pt纳米柱阵列电极. 通过反射光谱观测到580和660 nm附近的特征吸收谱峰, 并基于有限元电磁场(FEM)理论模拟, 确定其表面等离激元共振(SPR)性质分别对应于纳米柱柱顶的电偶极模式(584 nm)、 电四极模式(638 nm)以及表面等离激元极化子(666 nm). 制备的等离激元纳米柱电极用于甲醇光电催化氧化反应时, SPR效应能显著地增强甲醇的电催化氧化电流. 当表面负载2 nm的金属Pt时, 光电催化氧化甲醇活性最高, 光照使氧化电流增加, 同时甲醇的氧化峰电位随光强的增加逐渐负移, 证明SPR弛豫产生的热空穴参与到光电协同甲醇氧化中. 在恒电流甲醇氧化实验中, 光照使表面氧化反应时间延长6倍, 减小了CO的毒化, 证明SPR对于电极表面产生一定的清洁作用.     

金纳米粒子单层膜表面SPR催化反应的原位SERS研究

表面增强拉曼散射（SERS）基底的活性和均匀性是其SERS应用研究的关键,通过气-液两相界面自发组装的方式及控制组装的时间可制备致密性不同的金纳米粒子单层膜（Au MLF）.由于疏松和致密基底表面的LSPR产生的方式和强度不同导致SERS增强效应和均匀性两者无法同时兼顾,通常得到局域表面等离激元共振（SERS）增强性能及表面等离激元共振（SPR）催化性能优异但均匀性欠佳的疏松基底,或SERS增强性能与SPR催化性能中等但均匀性优越的致密基底.研究表明SERS增强效应的提高与粒子密度增加和“热点”活性增加有关,而SPR催化转化率仅与“热点”活性有关.本文以致密的Au MLF为基底,以对巯基苯胺（PATP）和对巯基苯甲酸（MBA）为探针分子系统研究了激光功率对SPR催化反应效率的影响,研究发现激光功率提高可显著提升PATP偶联反应及MBA脱羧反应的转化率.同时发现后者脱羧反应的速率与激光功率平方的倒数成线性关系,为相关表面过程的动力学参数测定提供了新的途径.     

Ag纳米粒子修饰光纤探针在等离激元催化反应中的应用

本文发展了一种基于Ag纳米粒子(AgNPs)修饰的局域表面等离激元共振(LSPR)光纤探针,作为等离激元催化反应基底同时原位检测表面增强拉曼光谱(SERS)信号,实现反应与检测一体化。本文使用(3-氨基丙基)三甲氧基硅烷(APTMS)分子将AgNPs组装到光纤探针表面。通过调控自组装时间,可形成AgNPs均匀分布的探针。以对巯基苯胺(PATP)作为反应的模型分子,获得了较好的等离激元催化及信号检测效果。在相同光源条件下,从光纤内部激发收集所得产物的SERS信号强度为外部激发收集的12.8倍,表明内激发收集方式在反应及信号检测方面具有优势;在一定浓度范围(10~(-4)–10~(-8)mol·L~(-1))内可用该光纤探针对PATP溶液进行定量分析;运用该光纤探针开展了等离激元催化PATP分子偶联反应的原位动力学研究。该LSPR光纤探针具有较高灵敏度,对样品损伤小,可在多场合下实现原位检测,且制备简便、成本较低。还有望结合近场扫描光学显微技术进一步对样品表面进行微区等离激元催化反应及检测并得到反应的二维分布图。     

银纳米粒子在云母表面的二维组装及其表面增强拉曼效应

随着纳米技术的迅速发展 ,利用共价或非共价键作用将金属纳米粒子组装到固体基片上 ,因其方法简单、重复性好而成为研究热点 .目前 ,人们已经成功地利用带有— SH[1,2 ] ,—CN,— NH2 [3 ] 等基团的单层或多层膜作为偶联剂将 Au和 Ag等金属纳米粒子固定在玻璃、石英、硅、金等固体基片上 .但在许多情况下 ,偶联剂却成为一种干扰物质 .云母是一种重要的电子工业材料 ,并具有廉价、较易获得新鲜表面等特点 ,研究金属纳米粒子在云母表面的组装和排列无疑具有重要意义 .但是 ,迄今为止 ,在表面没有偶联剂修饰的条件下 ,以云母为基底的金属纳…     

Au纳米粒子表面附近偶氮苯分子的吸收光谱

我们将时空间含时密度泛函理论与经典的电动力学时空间有限差分技术相结合,对吸附在Au纳米粒子表面附近的偶氮苯分子顺式和反式两种同分异构体的光学性质进行了研究。计算结果显示,一方面表面等离子激元共振会增大其周围激光外场的强度,从而使得偶氮苯分子的吸收光谱得到增强,另一方面,吸附分子与金属纳米粒子之间的相互耦合作用也会对一些低能特殊谱峰的强度及位置产生影响,从而使得谱线的形状与单独的偶氮苯分子或Au纳米粒子并不相同。此外,等离子激元的增强效应会随着分子与金属纳米粒子之间的距离以及纳米粒子尺寸的变化而发生变化。     

陷阱态对Ag-TiO2光诱导界面电荷转移的影响:电化学、光电化学和光谱表征(英文)

在基于金属-半导体异质结构的等离激元介导化学反应中,了解其中的电荷转移和复合机制进而调控界面、提高界面电荷分离,对于提高等离激元催化反应效率至关重要。但电化学体系中固液界面上的等离激元光电催化反应是一个多过程、多时间尺度、多影响因素的复杂体系,光生载流子在界面间传递机制的研究仍面临着巨大的挑战。由于光电化学信号的产生和变化包含了诸多体相和界面过程,因此光电化学方法是探究等离激元催化反应过程中的界面电荷转移机制的有效手段之一。本文合成了TiO₂和Ag-TiO₂纳米粒子,以光电化学方法作为主要研究手段,并结合电化学和各种谱学表征手段,探究了电极陷阱态对界面电荷转移机制的影响。结果表明,在Ag负载在TiO₂表面后,电极的陷阱态显著增加。结合XPS以及PL光谱,陷阱态增加可主要归咎于表面羟基。陷阱态的增加导致了荧光的猝灭和光电响应的减弱,但增加的陷阱态复合过程也延长了载流子的寿命。陷阱态的调控必然会影响界面电荷转移,从而改变热载流子的数量和寿命,进而调控后续Ag界面上的等离激元反应。在反应位点位于金属的基于金属-半导体复合体系的...     

含金属纳米粒子的层层自组装及单壁碳纳米管的催化生长

利用层间的静电吸附作用，重氮树脂和不同种类的含金属纳米粒子被依次吸附到硅片表面形成层层自组装膜。通过改变自组装膜的层数可以控制纳米粒子在表面吸附的量，同时利用重氮树脂的光敏特性可以实现纳米粒子在表面的图案化排布。以这些纳米粒子为催化剂，研究了单壁碳纳米管在硅片表面的化学气相沉积生长。     

电场强度对等离激元诱导热电子的影响

等离激元纳米结构因其通过改变纳米结构的尺寸、形貌和组成成分,可以在紫外-可见-近红外范围内实现对光的操控从而提高能量利用率而受到人们的广泛关注.在光的激发下,等离激元纳米结构可以产生高能热电子,并驱动光化学反应,但其利用效率较低.因此,如何提升热电子的激发效率成为了一个亟待解决的关键问题.本工作制备了三维壳层隔绝银纳米粒子载金（3D Ag SHINs-Au）超结构,以对巯基苯胺（pATP）为探针分子,结合原位表面增强拉曼光谱技术和三维有限时域差分法研究不同电场强度对等离激元诱导的热电子激发效率的影响.实验结果显示电场强度越强,热电子激发效率越高,pATP催化速率越快.此外,带内跃迁比带间跃迁更有利于热电子的激发.本研究有助于人们理解电场强度如何影响热电子的激发效率.     

氮掺杂六角石墨烯纳米结构的近红外等离激元研究

基于含时密度泛函理论研究了氮掺杂六角石墨烯纳米结构的近红外等离激元.沿一定的激发方向,边长为1 nm的氮掺杂六角石墨烯纳米结构在整个近红外光谱区都有强度较大的等离激元共振.参与这种近红外等离激元模式共振的电子在六角纳米结构的中心和边缘区域之间来回振荡.近红外等离激元共振模式的形成依赖于氮掺杂的位置和纳米结构的尺度大小.只有当氮掺杂在靠近边界区域时体系才会在近红外光谱区形成等离激元共振模式.对于边长小于1 nm的六角石墨烯纳米结构,氮掺杂后体系不能在近红外光谱区形成等离激元共振模式.     

不同受限状态下链硫醇的非线性光学响应

以和频(SFG)振动光谱技术探测了正十二硫醇(DDT)在不同受限状态下的分子振动信号, 包括金属基底上的自组装单层(SAM)分子, 放置在二氧化硅基底上的表面DDT化的金纳米粒子以及金纳米粒子的甲苯溶液. 在三种状态下都探测到了来自于DDT分子的振动光谱, 振动光谱的区别提供了在不同受限态下DDT分子的结构信息. 在金属基底上DDT分子排列规整, 放置在二氧化硅基底上的金纳米粒子表面的DDT分子具有一定的柔性, 在空气-甲苯溶液界面金纳米粒子表面的DDT分子高度无序. 此外, 光谱实验显示, 金纳米粒子表面的分子振动信号产生了局域场增强的效应, 相对于金基底上的自组装单层分子而言, 增强系数为10²-10³, 取决于光谱的偏振组合.     

金纳米粒子的尺寸以及金-二氧化钛相互作用对表面等离激元光催化产氧的影响（英文）

表面等离激元共振效应具有独特的光-物质相互作用的性质,因而近年来被广泛的应用到太阳能转化科学领域.通过调变金属的性质(例如组分、尺寸、形貌等)可以方便地在整个太阳能光谱范围内调节其等离子共振吸收性质,从而有效地增加光催化剂的捕光效率.尽管如此,等离激元光催化目前的能量转化效率仍处于很低的水平,主要是由于光催化剂中的电荷分离以及利用效率很低.理论上可以通过控制优化金属纳米粒子的尺寸以及金属-半导体的相互作用来促进电荷分离及利用效率,从而提高光催化剂的活性.然而,关于金属纳米粒子的尺寸以及金属-半导体的相互作用在表面等离激元光催化剂中的具体作用还亟待详细研究.本文以金/二氧化钛作为典型的表面等离激元光催化剂,通过简便的焙烧后处理可同时实现金粒子尺寸和金-氧化钛界面相互作用的调控.我们发现,催化剂的可见光产氧活性随着焙烧温度呈现火山型关系,其中600 ℃处理的样品表现出最高的活性,在560 nm出的表观量子效率为0.3%,接近甚至超过文献报道的同类结果.随后通过X射线衍射、扫描电镜、光电子能谱、紫外可见光谱等表征手段系统地研究了煅烧温度对于金粒子尺寸和金-氧化钛相互作用的影响.从结果表明,通过不同温度焙烧并未改变二氧化钛自身的性质,且随着温度的升高,金尺寸在600℃之前变化较小,随后突然快速长大.在排除了不同样品的吸光性能的差异后发现,产氧活性随着Au尺寸长大而减少.从光电子能谱的结果发现,金-二氧化钛的界面相互作用随焙烧温度升高而逐步增强.进一步地,通过界面周长的归一化活性得出界面相互作用与产氧活性呈现近似线性关系.最后,通过对光沉积Au样品进行不同温度的煅烧发现大尺寸Au的粒径不随煅烧温度变化,而此时的产氧活性却随焙烧温度增加而增加,这进一步验证了界面相互作用对光催化水氧化的促进作用.综合以上结果可知,最终的等离激元诱导的可见光产氧活性是由尺寸与界面相互作用共同影响的结果,尺寸和界面相互作用的变化会共同影响热电子转移效率和表面反应效率,从而改变整体的光催化产氧效率.     

可调控且稳定的SrMoO4等离激元共振用于增强的可见光驱动的氮还原

光催化固氮是最具潜力的人工光合过程之一,也是有望取代工业Haber-Bosch方法实现氨的绿色合成的清洁能源技术之一.由于氮气分子还原为氨需要较高的还原电位,导致大部分常规的半导体材料的导带能级不能满足固氮反应的热力学要求.同时,固氮光催化剂普遍存在光响应波段窄、表面催化活性低、太阳光向氨的转化效率低等问题.缺陷工程是目前制备高效固氮光催化剂的最有效的途径之一.在催化剂中引入缺陷可以带来两个方面的好处:(1)促进氮气分子在缺陷位点上的化学吸附和活化,从而降低反应能垒;(2)拓宽催化剂的太阳光响应波段,提高对太阳光的利用效率.等离激元效应来自于自由载流子的集体振荡,广泛存在于金属纳米结构中.尽管金属等离激元纳米材料在光催化中也有广泛的应用,可以通过等离激元增强的光吸收和散射、热载流子传输以及等离激元共振能量传递等机理提高太阳能转化效率,但其能量转化效率仍有限,多用于弥补半导体材料的弱点.研究发现,一些半导体纳米材料在可见光和近红外光范围表现出优异的等离激元共振吸收.相比等离激元金属纳米材料,这些半导体的等离激元共振效应的调控手段更加丰富.等离激元半导体材料普遍具有较高的缺陷浓度、非常宽的光响应波段,因而是理想的固氮光催化剂.本文利用具有还原性的气氛处理溶剂热法制备的SrMoO4,通过引入高浓度的氧空位,实现了可调控的稳定的等离激元共振吸收.制备的SrMoO4在可见光和近红外光范围具有强的等离激元吸收,其共振吸收峰的中心位置可从520调到815 nm,显著拓宽了SrMoO4的光响应波段,而样品的本征吸收边仍然位于310 nm.研究发现,氢气还原没有改变Sr的氧化态,而是将Mo6+还原成Mo5+.紫外光电子能谱分析结果表明,高温氢气处理没有改变SrMoO4样品的导带和价带能级.电子顺磁共振研究结果表明,氢气处理在SrMoO4中形成了大量的氧空位.Mott-Schottky测试结果发现,氢气处理后的样品的载流子浓度高达～2.0×1020 cm-3.具有等离激元效应的SrMoO4表现出优异的可见光固氮性能,相比不具有等离激元效应的SrMoO4,在入射光波长大于420 nm的可见光照射下,在氢气气氛中处理10 min,3,6和8h的SrMoO4样品的氨的产率分别为41.2,36.3,24.5和20.8 μg gcat-1 h-1.其增强光催化活性主要来源于更宽的太阳光吸收波段、等离激元激发产生的热载流子和丰富的缺陷活性位点.一方面,SrMoO4具有较高的导带能级,本征激发形成的导带电子能在热力学上将氮气分子还原为氨;另一方面,等离激元激发产生的热载流子具有较高的能量,能够越过固液界面的肖特基能垒,将吸附在催化剂表面缺陷处的氮气分子还原为氨.但是,尽管缺陷在光催化固氮中展现出多方面的优点,其在半导体中的浓度仍需进一步的优化.     

基于局域SPR传感器的免疫分析

局域表面等离子体共振(LSPR)是一种由入射光(电磁场)与金属纳米粒子表面自由电子间相互作用产生的物理光学现象,其性质与纳米粒子的组成、尺寸、形状、粒子间距和周围介质折射率等因素有关.溶胶LSPR传感已被成功地应用于免疫分析以及DNA检测等方面.应用聚电解质作为自组装材料,通过静电相互作用,将金纳米粒子组装于玻璃基片上制备LSPR传感膜.此种方法制备的LSPR传感膜中金纳米粒子的单分散性好,制备过程简单、组装时间短.同时,应用紫外.可见分光光度计进行检测,实验操作更加简便.