金属纳米颗粒与二维材料异质结构的界面调控和物理性质

二维材料具有原子级光滑表面、纳米级厚度和超高的比表面积,是研究金属纳米颗粒与二维材料的界面相互作用,实时、原位观察金属纳米颗粒的表面原子迁移、结构演化和聚合等热力学行为的重要载体.设计和构筑金属纳米颗粒与二维材料异质结构界面,在原子尺度分析和表征界面结构,揭示材料结构和性能之间的相互关系,对于理解其相互作用和优化器件性能具有重要价值.本文总结了近年来金属纳米颗粒在二维材料表面成核、生长、结构演化及其表征的最新进展,分析了金属纳米颗粒对二维材料晶体结构、电子态、能带结构的影响,探讨了可能的界面应变、界面反应,及其对电学和光学等性质的调控,讨论了金属纳米颗粒对基于二维材料的场效应管器件和光电器件的性能提升策略.为从原子、电子层次揭示微结构、界面原子构型等影响金属纳米颗粒-二维材料异质结性能的物理机制,为金属-二维材料异质结构的研制及其在电子器件、光电器件、能源器件等领域的应用奠定了基础.     

表面等离激元——机理、应用与展望

等离激元光子学(plasmonics)的研究内容是金属纳米结构独特的光学性质及其应用.随着纳米科技的进步,等离激元光子学已经迅速发展成为一门新兴学科,在生物、化学、能源、信息等领域具有重要的应用前景.文章主要介绍表面等离激元(surface plasmons,SPs)的一些基本物理性质,包括局域的表面等离激元(localized surface plas-mon,LSP)和传导的表面等离激元(propagating surface plasmon polariton,SPP),文章还介绍了表面等离激元的几个重要的应用方向,例如生物/化学传感器、表面等离激元激光、光开关器件以及表面等离激元光逻辑运算,等等.     

金属-介质-金属渔网超表面结构调控的荧光辐射：空间选择性激发和双增强

增强荧光辐射在生物成像、高灵敏探测、集成光源等方面都具有重要的应用价值.金属纳米颗粒的周围或者金属纳米结构的间隙都可以产生强的电磁场,相应的,这些结构附近的局域态密度也被极大地增强.虽然增强荧光辐射已经在多种金属纳米颗粒和颗粒对中被证明,但是利用金属纳米结构对荧光分子的吸收和辐射过程同时进行调制仍然是一个有挑战的问题.本文研究了金属-介质-金属超表面对荧光辐射的调控,其中局域表面等离激元(LSP)和磁等离激元(MPP)分別与于分子的吸收和辐射过程发中耦合相互作用.对于吸收过程,LSP的耦合作用使得可以通过旋转泵浦激光的偏振态来实现荧光分子的空间选择激发.此外,MPP模式的偏振依赖特性使得矩形渔网结构中的荧光分子的辐射波长和偏振态也受到调控.实验观测结果经过了时域有限差分模拟的验证.本文报道的纳米结构在光辐射器件和纳米尺度集成光源等方面都具有潜在的应用价值.     

二氧化钛薄膜表面甲醇吸附的和频振动光谱

自行搭建了用于研究表面光催化的宽带红外和频振动光谱并可以原位紫外光激发的装置. 利用自制的结构紧凑小巧的高真空样品池,可以在10 kPa氧气氛围下经原位紫外光照除掉 射频磁控溅射制备的二氧化钛薄膜表面的有机污染物. 通过在室温下改变甲醇气压和指认吸附在薄膜表面的甲醇的和频振动光谱,发现薄膜表面有两种吸附的甲醇,分子形式吸附的甲醇(CH₃OH)和解离吸附的甲醇(CH₃O). 当甲醇的覆盖度由低变高时,分子形式吸附的甲醇的CH₃的对称伸缩振动和费米共振峰红移了6～8 cm^-1. 真空下,薄膜表面的甲氧基和表面的氢原子可以重新结合并以甲醇分子的形式脱附. 研究表明二氧化钛薄膜体系存在两个平衡：气相甲醇和表面吸附的甲醇分子之间,以及表面吸附的甲醇分子和甲氧基之间.     

局域表面等离激元

局域表面等离激元使得贵金属纳米颗粒具有丰富的光学性质,其应用涵盖能源、生物医学、安全、信息、超材料等诸多领域。文章简要介绍局域表面等离激元的基本性质、贵金属纳米结构中的局域表面等离激元共振耦合以及具有局域表面等离激元特性的贵金属纳米结构的一些重要应用。     

局域表面等离激元

局域表面等离激元使得贵金属纳米颗粒具有丰富的光学性质,其应用涵盖能源、生物医学、安全、信息、超材料等诸多领域。文章简要介绍局域表面等离激元的基本性质、贵金属纳米结构中的局域表面等离激元共振耦合以及具有局域表面等离激元特性的贵金属纳米结构的一些重要应用。     

表面等离激元与磁表面等离激元

金属微纳结构体系中的表面等离激元以及磁表面等离激元因其独特的光学特性吸引了研究者们的极大兴趣,成为当前的热点研究领域之一.文章对表面等离激元尤其是磁表面等离激元的特点、基本现象、新颖效应及其应用研究前景的最新发展进行了介绍.     

空气/甲醇界面和频振动光谱的定量偏振分析

对空气／甲醇液体界面的和频振动光谱进行了定量的理论分析．虽然甲醇的红外和Raman光谱中都具有明显的反对称伸缩振动峰,但该光谱峰在界面和频振动光谱中却从未被观测到．利用已知的甲醇液体的红外和Raman光谱对和频振动光谱的键极化模型进行了修正,从而对此实验现象进行了定量的解释．此修正可以广泛地应用于界面和频振动光谱的研究中．     

表面等离极化激元的散射及波前调控

表面等离极化激元在片上信号传输、增强非线性/拉曼效应、生物/化学传感、超分辨成像等方面具有重要应用.在这些应用中,表面等离极化激元的近场传输及远场散射起着重要作用.然而,长期以来人们对相关物理效应缺乏简单有效的理论理解,这也限制了人们对表面等离极化激元的自由调控.本文首先简单回顾了表面等离极化激元的发展历史及现状,接着着重介绍了表面等离极化激元的近场传输效应和远场散射效应,包括其理论进展及其相关应用;最后还介绍了表面等离极化激元的近场波前调控的相关方法.基于这些进展,人们对表面等离极化激元的散射特性有了更为深刻的理解和更加强大的调控能力,这将对未来表面等离极化激元相关研究和应用带来启发.     

石墨烯覆盖铝纳米光栅表面等离激元共振光谱及传感特性

表面等离激元共振技术具有无需标记、灵敏度高、实时检测等优点,已广泛应用于生物医疗、环境监测及食品安全等领域。相对于传统贵金属材料表面等离激元共振传感器而言,铝表面等离激元共振传感器具有价格低廉、共振光谱带宽小等优点,已逐渐成为了该领域的研究热点。针对铝材料存在与生物分子兼容性差、易氧化等缺点,利用石墨烯化学稳定性好、比表面积大、抗氧化能力强、生物兼容性好等独特优势,将其作为与被测分子直接接触的传感层,提出了一种石墨烯覆盖铝纳米光栅的表面等离激元共振传感器。首先,基于多物理场有限元仿真软件建立了该传感器的物理模型,分别分析了石墨烯层数和铝光栅结构参数(占空比、高度、周期)对传感器共振光谱的影响。结果表明,石墨烯与铝光栅的复合有效增强了入射光波与传感器的相互作用,采用单层石墨烯与铝光栅复合时,共振峰具有最窄的光谱带宽。当铝纳米光栅结构Λ=600 nm,H=40 nm,η=70%时,光谱反射率为零。进一步分析了结构优化后的传感器的传感特性。结果表明,单层石墨烯覆盖铝纳米光栅传感器具有最高的品质因数24.5 RIU-1,其灵敏度高达626 nm·RIU-1。该传感器具有探测精度高、分子兼容性好等优点,能为生化分析、环境监测和食品安全等领域提供一个新的绿色传感平台。     

Vibrational Spectra and Adsorption of Trisiloxane Superspreading Surfactant at Air/Water Interface Studied with Sum Frequency Generation Vibrational Spectroscopy

使用界面和频振动光谱(SFG-VS)测量了空气/水界面三甲基硅烷表面活性剂Silwet L-77的C-H伸缩振动光谱．这些光谱峰主要是在2905 cm-1附近属于-Si-CH3基团的对称伸缩(SS)振动,在2957 cm-1的主要是-Si-CH3基团反对称伸缩(AS)振动,以及明显较弱的在2880 cm-1附近的属于-O-CH2-基团的对称伸缩(SS)振动．通过比较低于和高于临界聚集或胶束浓度(CAC)的SFG-VS偏振光谱显示Silwet L-77分子的C-H基团取向在不同的界面密度下变化很小．SFG-VS测量的吸附等温线表明Silwet L-77分子在空气/水界面没有形成所谓的双层结构的迹象．Silwet L-77分子在空气/水界面的Gibbs吸附自由能为-42.2±0.8 kJ/mol,表明该分子具有很强的表面吸附能力．     

Absolute Orientation of Molecules with Competing Hydrophilic Head Groups at the Air/Water Interface Probed with Sum Frequency Generation Vibrational Spectroscopy

和频振动光谱(SFG-VS)研究中由基团在界面上取向所引起的光谱增强或相消的干涉现象为研究分子在界面上的绝对取向提供了一种直接的测量方法. 这一方法比SFG实验中复杂的相位测量方法更为直接和简单可行. 以在空气/水界面取向已知的对羟基苯腈(PCP)分子的氰基(-CN)基团为相位参考来获得3,5-二甲基对羟基苯腈(35DMHBN)和2,6-二甲基对羟基苯腈(26DMHBN)分子在空气/水界面的取向信息. 通过对这三种分子的水溶液和它们两两混合溶液界面上-CN基团和频振动光谱强度的比较,发现在空气/水界面的3     

钼掺杂氧化锌薄膜的结构、光学和表面等离子体特性研究

室温下,通过直流磁控反应溅射在石英衬底上制备一系列钼掺杂氧化锌薄膜。分别采用X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)、分光光度计及拉曼光谱仪研究了钼掺杂浓度对氧化锌薄膜结构、表面形貌、光学性能和表面等离子体特性的影响。XRD测试结果表明,零掺杂氧化锌薄膜结晶良好,呈c轴择优取向,掺杂后薄膜缺陷增多,结晶质量下降,当掺杂浓度达到3.93 Wt%时,薄膜由c轴择优取向的晶态转变为非晶态。AFM测试结果表明非晶态掺钼氧化锌薄膜表面光滑,粗糙度最低可达489 pm。透射光谱表明所有薄膜样品在可见光范围(400～760 nm)平均透过率均达到80%,禁带宽度随着掺杂浓度的提高从3.28 eV单调增加至3.60 eV。吸收光谱表明氧化锌薄膜表面等离子体共振吸收峰随钼掺杂量的增大发生蓝移,而拉曼光谱表明Mo重掺杂时ZnO薄膜表面拉曼散射信号强度显著降低。通过Mo掺杂获得非晶态氧化锌薄膜,拓宽了氧化锌薄膜材料的应用领域,同时研究了Mo掺杂浓度对氧化锌薄膜表面等离子体的调控作用,这对制备氧化锌基光子器件具有重要参考价值。     

五层对称人工超常材料结构的表面等离子体激元

研究了由左手材料、负介电材料、常规介电材料所构成的几种五层对称结构表面等离子体激元的特性.讨论了表面等离子体激元的存在区域、色散关系、以及p和s偏振的表面色散曲线枝,发现表面模的性质强烈依赖于系统的组成材料及其组合方式|层数越多,表面色散曲线枝也越多,处在频率通带的表面极化模态也越多|在五层结构中有p和s两种偏振的表面等离子体激元,在共振时,可导致p波和s波强透射.此外,通过使用衰减全反射方法,探讨了激发并观察表面等离子体激元的可能性.     

用微模塑直接在聚合物曲面上制备微图形

用聚二甲基硅氧烷制备的 ,表面复制有微图形的“弹性印章”直接在聚乙烯 ,聚丙烯 ,聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等热塑性聚合物表面上进行热微模塑 ,无需复杂设备并可在普通实验室条件下 ,复制微图形 ,甚至在小试管外壁的曲面上或在用毛细管形成的微突起表面上也能制备出微曲面图形 .讨论了不同聚合物对生成微图形的影响 ,认为结晶性聚合物以及在温度变化时有较大收缩率的聚合物在微模塑中难以获得清晰图形 .无定形聚合物如聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等能够获得清晰的微结构     

Enrichment of poly(methyl methacrylate) and its graft copolymer of polybutadiene on the surface of polypropylene blends

Poly(methyl methacrylate) (PMMA) and its graft copolymer of polybutadiene were used as the macromolecular surface modifiers of polypropylene. The enrichment and diffusion of the modifiers onto the surface of polypropylene blends were investigated using FTIR-ATR, CDA and SEM. It has been found that the selective aggregation of the modifier component on the surface of polypropylene was mainly affected by the content, molecular weight and size of the segregated domains. Lower content and higher surface energy die were in favor of the enrichment of the additive. PMMA with higher molecular weight showed larger domain phase and lower diffusion velocity which resulted in less enrichment on the surface of PP blends.     

SFG experiment and ab initio study of the chemisorption of CN on low-index platinum surfaces

A dual analysis is proposed in order to have a better understanding of the adsorption of the cyanide ions on a platinum electrode. The SFG (Sum Frequency Generation) spectroscopy allows the in situ vibrational study and the SFG spectra of the CN⁻ species adsorbed on single crystal Pt electrode allow a systematic study of the low-index platinum surfaces. This experimental work is supported by ab initio calculations using density functional theory and cluster models. For each surface orientation and each geometry, a cluster model of 20-30 Pt atoms has been built in order to interpret the chemisorption of the CN⁻ ions through four kinds of adsorption geometry: on-top or bridge site, bonding via C or N atoms. Geometries have been optimized and adsorption energies, electronic properties and vibrational frequencies have been computed. From the electronic properties, we can propose an analysis of the bonding mechanism for each studied kind of adsorption.The SFG spectra of the CN⁻/Pt(1 1 1) system present an unique resonance owing to the top C adsorption. It is mainly the same for the CN⁻/Pt(1 0 0) system. It is also the case for the SFG spectra of the CN⁻/Pt(1 1 0) system recorded at negative electrochemical voltage; at more positive voltage, a second resonance appears at a lower frequency, owing to the top N adsorption.Experimental and theoretical values of the C-N stretching frequencies are in excellent agreement.     

三层不对称人工电磁材料界面处表面等离子体激元的理论研究

从P和S偏振出发.研究了由常规材料/左手材料/负介电常数材料、及常规材料/左手材料/负磁导率材料这两种三层不对称结构界面上表面等离子体激元(Surface plasmon polaritons,SPPs)的存在区域、色散曲线及其激发.观察到表面等离子体激元的性质强烈地依赖于人工电磁材料的组成参量,例如介质板的厚度和等离子体的频率.最后,使用衰减全反射(Attenuated total reflection,ATR)技术,探究了激发和观察表面等离子体激元的可能性.并针对P和s偏振两种情况计算了衰减全反射光谱.     

Duality of Spoof Surface Plasmon Polaritons on the Complementary Structures of Ultrathin Metal Films

Complementary metal structures manifest a remarkable scattering feature, known as Babinet's principle. Meanwhile, for surface modes confined to one or two dimensions, the relation between the modes on complementary structures has not been thoroughly studied. Here, spoof surface plasmon polaritons supported on complementary metal films are systematically investigated. The duality of electromagnetism guarantees that these surface modes on complementary metal films possess precisely the same dispersion regardless of the geometry of the grooves, which is confirmed by both numerical simulations and experimental measurements. This work may open another avenue for spoof surface plasmon polaritons in both the theoretical and practical aspects.