论文部分内容阅读
金属复合纳米结构能够利用金属的局域表面等离子体共振（Localized surface plasmon resonance,LSPR）效应与光学材料耦合实现发射增强和辐射放大。全无机钙钛矿CsPbX3（X=Cl/Br/I）量子点因具有很高的量子效率、吸收截面大、发光波长可调等特点,越来越吸引人们的关注,有望在生物探针、发光二极管、纳米激光、太阳能电池等领域得到广泛应用。本论文的研究对象为金属-钙钛矿量子点复合纳米结构,首先在理论研究方面,对金属-钙钛矿复合纳米结构进行理论模拟,得到了金属-钙钛矿量子点复合纳米结构的电场模式分布;其次在实验研究方面,首次提出了在空气中合成CsPbX3纳米颗粒的制备工艺,这种纳米颗粒在形貌和发光性能上可控,与Ag复合得到的纳米结构能进一步提高CsPbX3纳米颗粒的光学性能;最后在应用研究上,将CsPbX3量子点作为增益介质获得了双光子泵浦下的等离子纳米激光器。主要内容及创新包括以下几方面:1、对三种类型的金属-钙钛矿量子点复合纳米结构的LSPR效应进行了数值仿真,研究金属-钙钛矿量子点复合纳米结构的光物理理论机制:1)基于有限元方法,对CsPbBr3@Ag复合纳米结构在400 nm光照下的模式进行了分析,结果表明纳米Ag颗粒近邻区域的电场增强了35倍;2)对Au@CsPbBr3量子点结构在525nm光照下的模式进行了分析,结果表明掺杂有量子点的Au纳米球壳结构与没有掺杂的情况相比,LSPR产生的强电场区与量子点在空间的分布有更多重叠,从而更有利于实现激子-局域表面等离子体之间的高效耦合;3)设计了一种具有超低阈值的有源三层（增益介质-Ag-增益介质）纳米球壳结构等离子激光器,利用有限元方法计算了不同增益水平的核壳纳米颗粒的光学截面,确定了不同LSPR模式的增益系数阈值。计算结果表明,当纳米壳结构工作在四极子模式时,等离子激光器的增益系数阈值与偶极子模式的常规等离子激光器相比下降了87%。通过优化各层纳米壳的结构参数,获得了极低的阈值。2、首次提出并掌握了在空气中直接合成CsPbX3纳米颗粒的制备工艺。将Cs2CO3和PbX2加入到十八烯、油胺和油酸的混合溶液中进行搅拌加热,即可制备出CsPbX3纳米颗粒;制备的CsPbX3纳米颗粒最高量子效率达到了90%以上,发射峰波长在整个可见光范围内可调,半峰宽在10?40 nm之间。其次,在CsPbX3纳米颗粒表面吸附上Ag纳米颗粒得到了CsPbX3@Ag复合纳米颗粒,相比纯CsPbBr3纳米颗粒,其发射的荧光强度有了明显提高。通过对其吸收光谱和量子效率的分析,发现Ag纳米颗粒的附着虽然稍微降低了纳米颗粒的量子效率,但是可以增强CsPbX3纳米颗粒对400 nm波长范围的紫外光的吸收,从而使其荧光强度得到有效提高。3、将CsPbBr3纳米晶嵌入到超疏水的Au@双介孔结构二氧化硅复合材料（dual-mesoporous silica nanocomposites with gold nanocore,DMS）中,实现了双光子泵浦下等离子纳米激光器,对其工作机制进行了分析。激光阈值为1.08mJ/cm2,发射峰半峰宽为4.5 nm。这种Au纳米核-双介孔二氧化硅复合纳米结构不仅实现了钙钛矿量子点在介孔的形成,还能控制纳米Au核与介孔中钙钛矿量子点之间的距离,实现有效的激子-局域表面等离子体耦合;而且双介孔二氧化硅还为钙钛矿量子点提供了一层保护层,使其具有超疏水性和良好的环境稳定性。此外,这种结构能有效地抑制不同成分的CsPbX3纳米颗粒之间的离子交换作用。