【摘要】：光子晶體是通過(guò)介電常數(shù)或晶格常數(shù)對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行調(diào)控,金屬納米結(jié)構(gòu)的等離子體與自由電子的共振效應(yīng)也可以提供調(diào)節(jié)光與物質(zhì)的相互作用的另一種手段。若在光子晶體的基礎(chǔ)上引入具有電子激發(fā)振蕩材料,可能會(huì)使光子晶體與局域共振效應(yīng)之間產(chǎn)生更豐富的光調(diào)制協(xié)同效應(yīng),將豐富面向光催化、能源、生化傳感等應(yīng)用的光場(chǎng)調(diào)控手段。三維膠體晶體模板制備的有效研究導(dǎo)致光子晶體與均勻的等離子體共振的三維協(xié)同作用更有意義,可能會(huì)優(yōu)化布拉格衍射機(jī)制的響應(yīng)靈敏度,使其應(yīng)用在生化傳感方面具有更高的靈敏度。因此我們采用水凝膠輔助解離法制備了銀納米顆粒幾何可控且周期性分布的三維銀等離子激元光子晶體結(jié)構(gòu),通過(guò)電磁仿真與實(shí)驗(yàn)光譜及形態(tài)的表征去分析結(jié)構(gòu)耦合特性。以葡萄糖響應(yīng)凝膠為輔助制備銀等離子激元光子晶體葡萄糖傳感器,通過(guò)電磁仿真和實(shí)驗(yàn)的傳感檢測(cè)及靈敏度計(jì)算,分析了耦合效應(yīng)對(duì)生化傳感器靈敏度的影響。具體內(nèi)容包括:(1)葡萄糖響應(yīng)水凝膠輔助制備銀等離子激元光子晶體。以膠體晶體為模板采用電化學(xué)沉積法制備銀反蛋白石,分別以葡萄糖敏感基元3-丙烯酰胺基苯硼酸(APBA)凝膠和葡萄糖分子印跡4-乙烯基苯硼酸(VPBA)水凝膠為輔助,采用恒壓電化學(xué)拋光法得到在凝膠輔助下三維周期分布的銀納米顆粒。主要研究了以電化學(xué)拋光法制備低填充率銀反蛋白石,達(dá)到透射率增加及保持完整周期性的目的,進(jìn)而保證了光聚合水凝膠的順利進(jìn)行。通過(guò)電化學(xué)拋光過(guò)程中反向恢復(fù)電流與結(jié)構(gòu)解離程度、拋光時(shí)間的關(guān)系研究提高了電化學(xué)拋光過(guò)程的可控性。(2)銀等離子激元光子晶體的光學(xué)耦合特性。使用實(shí)驗(yàn)及仿真手段研究了局域等離子激元共振的表現(xiàn)形式、銀等離子激元光子晶體的反射峰出現(xiàn)機(jī)制和銀等離子激元光子晶體的光學(xué)耦合特性。通過(guò)不同頻段下的電場(chǎng)分布及吸收光譜分析發(fā)現(xiàn)由于四面體銀納米顆粒的曲率不同使局域等離子激元共振在近紅外至近紫外波段產(chǎn)生了寬譜吸收。通過(guò)不同晶格常數(shù)的能帶結(jié)構(gòu)、電場(chǎng)分布、不同光入射角度下的光譜特征分析確定了結(jié)構(gòu)反射主波峰和次波峰的主要起因是布拉格衍射產(chǎn)生的一級(jí)光子帶隙和二級(jí)光子帶隙。通過(guò)實(shí)驗(yàn)及仿真研究不同晶格常數(shù)的不同銀填充高度、不同周期尺寸的結(jié)構(gòu)反射光譜證實(shí)了處在局域等離子激元共振頻段下的反射峰是由光子帶隙和局域等離子激元共振的耦合作用共同決定的,表現(xiàn)形式是反射峰的位置發(fā)生移動(dòng),與周期晶格常數(shù)成非線性關(guān)系。(3)以葡萄糖敏感基元APBA凝膠輔助制備的銀等離子激元光子晶體對(duì)葡萄糖響應(yīng)的靈敏度研究。以APBA凝膠輔助制備的銀反蛋白石對(duì)葡萄糖進(jìn)行檢測(cè),通過(guò)實(shí)驗(yàn)及仿真的靈敏度計(jì)算驗(yàn)證了布拉格二級(jí)衍射峰和表面等離子激元谷的靈敏度處在同一數(shù)量級(jí)。以APBA凝膠輔助制備的銀等離子激元光子晶體對(duì)葡萄糖進(jìn)行檢測(cè),結(jié)構(gòu)反射光譜隨著葡萄糖濃度的升高發(fā)生明顯紅移實(shí)現(xiàn)了對(duì)葡萄糖的檢測(cè),實(shí)驗(yàn)及仿真手段研究了不同晶格常數(shù)結(jié)構(gòu)檢測(cè)葡萄糖時(shí)的布拉格一級(jí)和二級(jí)衍射的靈敏度,發(fā)現(xiàn)檢測(cè)葡萄糖濃度在5-100 mM范圍內(nèi)時(shí),300 nm周期結(jié)構(gòu)的布拉格一級(jí)衍射靈敏度提高最大,200 nm周期結(jié)構(gòu)的布拉格二級(jí)衍射靈敏度提高最大。檢測(cè)葡萄糖濃度在0.1-0.5mM范圍內(nèi)時(shí),400nm周期結(jié)構(gòu)的布拉格一級(jí)衍射靈敏度提高最大。200 nm、300 nm、400 nm的周期結(jié)構(gòu)的布拉格二級(jí)衍射靈敏度均有提高。
【圖文】：

光子晶體是由兩種及以上不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料在空間微納米尺度下的周逡逑期性排布組成的新型光學(xué)材料［１］，在１９８７年首次被Ｊｏｈｎ和Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ同時(shí)提出。逡逑根據(jù)周期性排布的空間維度將光子晶體分為一維、二維和三維光子晶體，如圖１－１逡逑所示，這種周期性結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)光子態(tài)密度進(jìn)行重新分配，使某一頻段下的光無(wú)法傳播，逡逑形成光子帶隙。表現(xiàn)為光子晶體的布拉格衍射，與結(jié)構(gòu)的周期晶格常數(shù)、排列規(guī)逡逑律、折射率、光入射角都有關(guān)，其相互關(guān)系滿足布拉格衍射方程［２］：逡逑Ｕ邋＝邋２ｄ？－Ｓｉｎｅ２；）１／２，其中ｋ為衍射級(jí)數(shù)，ｎｅｆｆ為光子晶體的平均折射率，，０為入逡逑射光角度。逡逑ＷＷＷ逡逑圖１－１不同周期排布的光子晶體示意圖⑵。（ａ）邋—維（ｂ）二維（Ｃ）三維逡逑Ｆｉｇ．１－１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｐｈｏｔｏｎｉｃ邋ｃｉｙｓｔａｌｓ邋ａｒｒａｎｇｅｄ邋ｉｎ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｐｅｒｉｏｄｓ１２１，邋（ａ）邋ＩＤ邋（ｂ）邋２Ｄ邋（ｃ）邋３Ｄ逡逑１．１．２邐金屬等離子激元的發(fā)展歷史逡逑金屬等離子激元的應(yīng)用早在古羅馬時(shí)期就出現(xiàn)了，工匠們制作Ｌｙｃｕｒｇｕｓ杯時(shí)逡逑在內(nèi)部摻雜了金銀的微小顆粒，由于金銀顆粒獨(dú)特的光反射特性導(dǎo)致杯子在白天逡逑顯綠色

Ｅ－ｆｉｅｌｄ＾－ｒ？＞ｘ邋Ｍｅｔａｌ逡逑＼邋＾邋■邋ｉＸｆｓｐｈｅｒｅ邐奪，逡逑“ｅ邋ｃｌｏｕｄ逡逑圖１－２局域等離子激元共振過(guò)程示意圖Ｍｌ。逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｌｏｃａｌ邋ｐｌａｓｍｏｎ邋ｒｅｓｏｎａｎｃｅ邋ｐｒｏｃｅｓｓ＂１］．逡逑（２）表面等離子體極化激元［１３１逡逑ＳＰＰｓ是金屬薄膜表面自由電子在外界電磁場(chǎng)作用下形成的一種電荷密度波，逡逑如圖１－３所示，在金屬薄膜表面電子發(fā)生疏密分布。隨著外界電磁場(chǎng)的振動(dòng)而向前逡逑傳播，由于金屬材料的歐姆損失在垂直于傳播方向上強(qiáng)度以指數(shù)形式遞減［１４］。因逡逑此ＳＰＰｓ是一種表面電磁波，它的電磁場(chǎng)能量被緊緊束縛在金屬一介質(zhì)的交界面附逡逑近，這種束縛使界面處的電磁場(chǎng)被放大。ＳＰＰｓ的激發(fā)需要滿足兩個(gè)條件：入射光逡逑頻率與ＳＰＰ頻率一致；入射光在界面方向的分量與ＳＰＰ的激發(fā)波矢一致。逡逑ｆｉｆｅ＊逡逑
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TQ427.26;O734;O53

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2656304