聚集对银纳米粒子非线性光学性质的影响研究

论文题目: 聚集对银纳米粒子非线性光学性质的影响研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 物理电子学

作者: 王刚

导师: 崔一平

关键词: 银纳米粒子,超瑞利散射,扫描,聚集,局域场效应,二阶非线性,非线性折射,纳米粒子

文献来源: 东南大学

发表年度: 2005

论文摘要: 金属纳米粒子因其突出的光功能特性,很可能成为未来光电子器件的基础材料之一,其极大的非线性极化系数预示着这类材料有丰富的光功能现象和极大的应用潜力。对其中的物理机制进行研究并加以利用,从而改善或有目的地控制它的非线性无疑是十分重要的。通过研究,人们认识到金属纳米粒子的线性光学性质与粒子表面等离子体共振（SPR）过程密切相关。SPR是纯粹的纳米效应,对边界条件特别敏感,这决定了金属纳米粒子的性质具有强烈的尺寸和形状依赖性。相对于线性光学性质,对金属纳米粒子非线性光学性质的研究相对欠缺。本文以银纳米粒子为对象,研究了聚集对其二阶和三阶非线性光学性质的影响,取得了一些成果,主要内容包括以下几个方面。根据实验室条件建立了超瑞利散射（HRS）检测系统。HRS实验光路相对简单,但是HRS信号容易受到其它因素的影响,因此对实验条件的要求比较苛刻。我们在实验中采取了离焦激发方式,有效地避免了其它非线性过程（如受激布里渊散射、介质击穿等）对HRS信号的干扰。用标准样品（pNA）,从信号光强与溶液浓度的关系、信号光强与入射光强的关系和信号光谱三个方面仔细地对建立的HRS检测系统进行了校准和检查,证实此HRS装置各单元工作状况稳定、光路配置合理、测量结果准确。采用改进的Lee和Meisel方法,制备了粒径为10.5 nm且分散高度均匀的银纳米粒子。运用HRS检测系统,采取内参法确定了银粒子的二阶非线性极化系数,并对其二阶非线性极化过程进行分析。由KNO3诱导聚集,通过粒子尺寸测量和透射电镜（TEM）观察,表明聚集方式为链状聚集。文中分析了聚集效应对银纳米粒子吸收光谱的影响。运用HRS技术,研究了银纳米粒子聚集体的二阶非线性光学响应。实验结果表明,银粒子聚集体的HRS增强效应存在最佳聚集尺度,当聚集体平均尺寸为120纳米时,HRS信号强度比聚集前增大了约15倍。经过分析发现,聚集导致了银纳米粒子表面局域场强度的增强和分布的改变,并通过表面和体贡献机制对二阶非线性极化过程产生影响。在用柠檬酸修饰的银纳米粒子中加入吡啶后,吡啶中的氮原子与羟基氢形成氢键（-N...H-O-）,无氮原子的另一端疏水,在表面张力的作用下,也会引起银纳米粒子的链状聚集,并且这种聚集体与由库仑力引起的聚集体也必然存在不同。文中对此种聚集体的吸收光谱和二阶非线性光学性质进行了实验研究,从实验上观察到纯粹局域场增强对HRS信号的影响。实验结果表明,此种聚集体同样存在最佳聚集尺度,当聚集体平均尺寸为120纳米时,HRS信号强度比聚集前增大了约5.5倍。分析指出,聚集体中银纳米粒子的间距增大导致粒子表面局域场强度增强的减弱,所以此种聚集体有较小的HRS增强效应。文中研究了聚集效应对三种不同粒径银纳米粒子二阶光学非线性的影响。实验结果表明,三种尺寸的银粒子聚集体都存在最佳聚集尺度,使HRS响应最大;随着粒径的增加, HRS信号的增加倍数下降。我们将其中的原因总结为表面效应和相位延迟效应共同作用的结果。文中建立了偶极叠加模型和偶极场相互作用模型,进行了理论推导。运用理论推导结果,对上述实验现象进行了模拟计算,取得了较一致的结果。建立了一套较好的Z-扫描实验系统。运用Z-扫描装置,首次报道了聚集对银纳米粒子非线性折射率的影响。结果表明:聚集使银纳米粒子溶液的非线性折射响应增大了约4倍,局域场增强是其中的主要因素。实验中也观察到最佳聚集尺度的现象。运用理论分析计算和Z-扫描技术,从局域场角度研究了不同表面修饰的Fe2O3纳米粒子的非线性折射率。理论计算结果与实验现象吻合的较好。

论文目录:

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 非线性极化

1.2 非线性极化的物理机制

1.3 非线性光学材料

1.4 非线性光学系数的检测方法

1.4.1 二阶非线性光学系数的检测方法

1.4.2 三阶非线性光学系数的检测方法

1.5 论文内容组织

第二章 超瑞利散射检测原理及实验系统建立

2.1 超瑞利散射理论与方法

2.2 HRS 实验系统

2.2.1 锁模激光器

2.2.2 干涉滤光片

2.2.3 HRS 实验配置

2.2.4 HRS 实验方法

2.3 HRS 系统校验

第三章 聚集对银纳米粒子二阶非线性光学性质的影响

3.1 纳米粒子独特性质的根源

3.1.1 量子限域（Quantum Confinement）

3.1.2 局域场效应（Local Field Effect）

3.1.3 表面效应（Surface Effect）

3.2 银纳米粒子的制备

3.3 银纳米粒子的HRS 研究

3.3.1 吸收光谱

3.3.2 球形银纳米粒子二阶非线性极化过程

3.3.3 球形银纳米粒子的HRS 研究

3.4 银纳米粒子的电解质诱导聚集

3.5 聚集对吸收光谱与二阶非线性的影响

3.6 聚集理论分析

3.7 有机分子诱导银纳米粒子聚集

3.8 Py 诱导聚集的HRS 研究

3.9 Py 诱导聚集对HRS 过程的理论分析

3.10 不同粒径银纳米粒子制备

3.11 不同粒径银纳米粒子聚集效应的HRS 研究

3.12 不同粒径粒子聚集效应HRS 影响的理论研究

第四章 聚集对银纳米粒子非线性折射率的影响

4.1 Z－扫描理论及方法

4.1.1 闭孔Z－扫描理论

4.1.2 Z－扫描方法

4.2 Z－扫描实验装置的建立和验证

4.3 聚集效应对银纳米粒子非线性折射率的影响

4.3.1 实验

4.3.2 结果与讨论

4.4 局域场效应的Z－扫描研究

4.4.1 实验

4.4.2 结果与讨论

第五章 总结与展望

参考文献

发表文章

致谢

发布时间: 2007-06-11

参考文献

• [1].银纳米粒子电学效应及其在有机光探测器件中的应用研究[D]. 韩滔.华南理工大学2017

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