金纳米薄膜的荧光光谱特性.doc

内蒙古大学本科论文
金纳米薄膜的荧光光谱特性

摘要：采用电化学方法制备了胶体金纳米球状颗粒，并利用自组装方法在石英玻璃衬底上镀制了金纳米薄膜。在室温下测得其紫外—可见吸收光谱和荧光发射光谱。在吸收光谱中观察到两个吸收峰，其中610nm处的吸收峰来源于凝聚金纳米颗粒纵向的表面等离子体共振。在荧光发射光谱中也观察到与纵向表面等离子体共振有关的长波段的发射峰。增加激励光强度或增加薄膜中金粒子数密度都将导致新荧光发射峰的产生，这表明金纳米薄膜中存在循环多重散射，并由此引发了荧光发射峰数目和强度的变化。

关键词：金纳米薄膜、荧光光谱

目录
摘 要 2
关键词 2
第一章 绪论 4
第二章 实验部分 5
2.1仪器与试剂 5
2.2金胶体的制备 5
2.3金纳米薄膜的制备 5
第三章 结果与讨论 7
第四章 结论 10
参考文献 11

第一章 绪论

经过一个学期对纳米材料的学习，不仅让我对这一学科有了深入的了解，更让我明白了它的重要性。现在我就依据自己的所学对这门学科做一些简单的阐述和探讨。
将贵金属纳米颗粒镶嵌在不同的基底中得到的纳米薄膜具有与体相材料不同的光电特性，从而在微光电器件的研发领域表现出了诱人的应用前景。例如研究镶嵌有Ag微粒BaTiO薄膜的光学特性，并发现基底结构对Ag粒子的吸收光谱特性影响很大。将Cu，Ag等贵金属纳米颗粒沉积在多孔铝基底上得到纳米结构薄膜，并在其吸收光谱中观察到表面等离子体共振峰随颗粒尺寸的增大而红移。利用磁控管溅射法制备了Ag纳米薄膜，并研究了溅射压力等实验因素对薄膜光学特性的影响。在Si基底上制备Cu，Ag纳米薄膜，并研究了其二阶非线性光学效应。利用溅射法将Ag微粒沉积在SiO基底中得到复合纳米薄膜，发现其等离子体共振吸收峰随着Ag颗粒直径的减小而减弱并蓝移，并利用Mie氏理论进行了数值模拟。利用自组装方法将直径为6nm的Au颗粒沉积在玻璃基底上，并发现该薄膜的光学、电学响应具有非金属特性。前人的工作中大多研究了贵金属纳米薄膜的吸收光谱特性，而本文则测得了金纳米薄膜的荧光发射光谱，观察到与表面等离子体共振对应的荧光发射峰。发现在金纳米薄膜中存在循环多重散射，并由此引发了荧光峰数目和强度的变化。

第二章 实验部分

2.1仪器与试剂
（1）LS-55型荧光分光光度计
（2）UV-250IPC型紫外-可见分光光度计
（3）JEM-200CX透射电子显微镜
（4）DH1716-60直流稳压电源
（5）KQ-2500B型数控超声波清洗器
2.2金胶体的制备
利用类似Yu等所报道的电化学方法制备胶体金纳米颗粒。用10ml超纯水作溶剂，加入四辛基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵、丙酮配置成电解液。用纯金片和铂片分别作为阳极和阴极。将电解完成后的溶液滴在铜网上晾干后，通过透射电镜可观察到平均直径为20nm的球状金纳米颗粒，见图2-1。

图2-1

2.3金纳米薄膜的制备
利用石英玻璃片作为组装金纳米粒子薄膜的衬底。将清洗好的石英玻璃片浸入静置在室温中的金胶体溶液中24h，取出涂膜后的玻璃平放在室温环境中的干燥皿里自然凉干，重复以上浸镀过程，可以在衬底上组装成不同层数的金纳米粒子薄膜。

第三章 结果与讨论

用紫外可见分光光度计分别测得金胶体和金纳米薄膜的吸收光谱，见图3-1。其中535nm附近的吸收峰来源于球状金纳米颗粒的表面等离子体共振，在金纳米薄膜的吸收光谱中还出现了第2个长波方向的吸收峰位于610nm，我们认为它来源于金纳米薄膜中金纳米颗粒的线性凝聚，凝聚的金纳米链由于形状上的各向异性，而产生了长链方向的表面等离子体共振，于是在长波方向出现了与之对应的共振吸收峰。

图3-1

用LS-55型荧光分光光度计分别测得了金胶体和金纳米薄膜的荧光发射光谱，见图3-2。用300nm的入射光激发时，金胶体的发射光谱中仅出现一个荧光发射峰，位于430nm。而金纳米薄膜的发射光谱中却出现了与长链方向表面等离子体共振有关的新的荧光发射峰，位于700nm附近，短波方向的发射峰则蓝移至375nm。

图3-2

我们认为，荧光峰的出现与电子的能级跃迁、局域场增强这两个因素都有关。荧光发射峰产生的直接原因是电子从高能态到低能态的跃迁。纳米尺度的贵金属颗粒由于量子效应和小尺寸效应，能级发生分裂，使得金纳米颗粒具有了较为丰富的能级结构。于是300nm的激发光可能使处于低能态的电子跃迁到不同的高能态，由于高能态不稳定，电子将再次落回到不同的低能态或基态。于是产生了频率不同的荧光发射。然而这些不同波长的荧光发射能否被放大还与表面等离子体共振有关。由于表面等离子体共振产生的局域场效应可以同时使入射场和发射场得到增强，所以当电子跃迁频率与表面等离子体共振耦合时，特定频率的荧光发射将增强。
图3-2还表明，增加金薄膜的层数（即金纳米颗粒的粒子数密度）使得荧光发射光谱的长波波段和短波波段都出现了新的发射峰，分别位于355nm和655nm。图3-3给出了发射峰强度和数目对激励光强度的依赖关系。通过调节荧光分光光度计的激发狭缝宽度，可以改变激励光强度。随着狭缝宽度的增大，在长波波段和短波波段也都出现了新的发射峰，并且新出现的发射峰对激励光强度更为敏感。以上光谱特性表明，金纳米薄膜构成了一个高度无序的多重散射体系，当散射足够强时，光子在无序分布介质中将产生多重散射并有可能返回到最初的散射点而构成反馈回路，形成光的局域性。反馈机制使光在闭合回路中得到放大，在自组织作用下形成相干态，从而导致了发射光的增强。环状谐振腔的形成与激励光强度、散射粒子数密度等因素有关，增加粒子数密度和增强入射光强度都有利于谐振腔的形成，这与上面的实验结果是一致的。

图3-3

第四章 结论

采用电化学方法和自组装方法制备出金纳米薄膜。在吸收光谱中观察到由于金纳米颗粒线性凝聚而产生的表面等离子体共振吸收峰。在荧光发射光谱中，发射峰的数目和强度随薄膜层数及激励光强度变化，表明在金纳米薄膜中存在着多重散射并形成了环状谐振腔。

参考文献：
[1]孔继川，缪娟．薄膜太阳能电池研究进展[J]．化工时刊，2008．
[2]钟迪生．硅薄膜太阳能电池研究的进展[J]．应用光学，2001.
[3]苏孙庆．多晶硅薄膜太阳能电池的研究进展川．技术物理教学，2007.
[4]肖德传，马元，胡复亨等．我国非晶硅太阳能电池开发研究现状及国外发展趋势叨．薄膜与科学技术，1992.

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