半导体基局域表面等离激元材料合成及其性能研究

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表面等离激元共振是在光的电磁场作用下金属表面自由电子的集体振动现象,近年来引起了科学与技术领域广泛地关注。传统的表面等离激元材料如金、银等存在的缺陷一定程度上限制了基于表面等离激元激元器件应用的发展。半导体基局域表面等离激元材料具有特有的自身优势可以弥补传统表面等离激元材料的缺陷。半导体材料中的掺杂机制和独特禁带结构,可以相对容易实现对LSPR峰位调控,同时降低带间和带内损耗。因此,半导体基局域表面等离激元材料是一种新型的具有巨大潜力的LSPR材料。半导体基表面等离激元材料的成分、尺寸和形貌是影响局域表面等离激元共振性能的主要因素,通过研究合成掺杂、尺寸和形貌可控的半导体纳米晶,实现对LSPR性能的可控调节。本论文按照以上思路,合成了一些具有优异LSPR性能的半导体纳米材料,本文的主要创新结果如下:(1)采用了热注入的方法合成了不同掺杂浓度的ITO纳米晶,掺杂浓度在0~30%, LSPR峰位在1600~1993 nm范围内可控调节。通过种子生长法和改变修饰剂的种类合成了尺寸在6.3~16.2 nm可调纳米晶,可以调控LSPR峰位在1600~1978 nm移动,且随着IYO纳米晶尺寸的增大峰位逐渐红移。采用一锅法合成了花状的ITO纳米晶,并且发现多个LSPR共振之间存在耦合作用导致LSPR吸收峰发生了红移和宽化。(2)通过对ITO纳米晶的元素XPS谱分析,掺杂浓度为10%的110纳米晶有最高氧空位比例,比例为27.3%;当掺杂浓度高于15%时,部分的Sn4+离子已经被还原成Sn2+离子丧失电活性,指出了掺杂浓度为10%的ITO纳米晶样品有最高的自由电子浓度,对Sn的有效掺杂和提高ITO载流子浓度有指导意义。(3)将掺杂浓度为10%的ITO墨水旋涂成薄膜,通过甲酸处理和氢氩混合气氛下热处理,旋涂次数为20次,ITO薄膜的厚度为2.2 μm,在可见光波段的透过率高达90%,薄膜的方块电阻为790 Ωsq。ITO薄膜作为SERS衬底材料,R6G和DAPI染料的拉曼信号强度、检测下限都得到了提高,证明ITO纳米晶制备的薄膜是具有SERS活性的衬底材料。(4)通过一锅法合成了方辉铜矿相Cu7.284纳米片和靛铜矿相CuS纳米片,通过吸收光谱的表征,Cu7.2S4纳米片的LSPR峰位在1422nm,而CuS纳米片的LSPR峰位在1057 nm。Cu7.284纳米片自组装薄膜作为SERS衬底材料,R6G染料的拉曼信号强度得到了提高,可以作为SERS活性的衬底材料。对Cu2-xS纳米片表面改性,Cu7.2S4和CuS纳米片都可以形成串状的堆叠自组装有序结构;利用Cu2+离子的氧化刻蚀作用,通过Kirkendall效应形成Cu7.2S4和CuS纳米片的空心结构。通过热注入法合成Cu2-xSe纳米晶,反应中铜和硒比例的调节可以控制最终纳米晶的物相组成,从而可以调控LSPR峰峰位。
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