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华南师大制备直径仅为50-300nm球形镓纳米颗粒 助力光学领域

文章来源: 粉体圈       发布时间:2019-05-10

5月10日,记者了解到,华南师范大学信息光电子科技学院兰胜教授研究小组首次报道了利用飞秒激光烧蚀制备直径范围为50至300nm的球形镓纳米颗粒的方法。他们发现制备的镓纳米球由液态镓核和固态二三氧化二镓壳组成,呈现出跨越紫外到近红外光谱区的表面等离子体共振。

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在飞秒激光的激发下,放置在玻璃上的镓纳米球仅观察到二次谐波。形成鲜明对比的是,当将这些镓纳米球放置在薄银膜上时,在飞秒激光激发下可以产生显著的白光辐射。通过数值模拟发现在镓纳米球的后向散射光谱中形成了源自镜像诱导的磁偶极共振和间隙等离子体模式之间干涉的Fano共振。通过共振激励磁偶极共振或Fano共振,可以实现有效的白光发射。通过对镓纳米球的发光强与激发强度的依赖进行分析,镓纳米球的发射的白光属于热电子带内荧光。实验观察结果与基于液态镓复折射率的数值模拟结果非常一致。


镓纳米颗粒近年来引起了科学家们的广泛兴趣,因为镓不仅是在紫外区域具有表面等离子体共振的金属,而且是具有低熔点(29.7℃)的相变材料。镓纳米颗粒的紫外等离子体共振的潜在应用包括光存储、环境修复、荧光和表面增强拉曼光谱。与在紫外区域中表现出等离子体共振的其他金属相比,由于其存在薄的自然氧化物壳层,镓纳米颗粒能够在大气中保持稳定。此外,镓纳米颗粒的另一个有趣特征是所谓的过冷/过热现象,且相变温度在很大程度上取决于它的尺寸。 因此,镓纳米颗粒的这一独特性质使得我们可以在室温下系统研究液态镓纳米颗粒的线性和非线性光学性质、定向辐射的操纵、以及相变对其光学性质的影响。

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纳米金属材料是20世纪80年代中期研制成功的,后来相继问世的有纳米半导体薄膜、纳米陶瓷、纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等。


纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometer material),是指其结构单元的尺寸介于1纳米——100纳米范围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度,它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且,其尺度已接近光的波长,加上其具有大表面的特殊效应,因此其所表现的特性,例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等,往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。


北京pk10开奖结果 纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料,由纳米粒子(nano particle)组成。纳米粒子也叫超微颗粒,一般是指尺寸在1——100nm间的粒子,是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域,从通常的关于微观和宏观的观点看,这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统,是一种典型的介观系统,它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒(纳米级)后,它将显示出许多奇异的特性,即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。


纳米技术的广义范围可包括纳米材料技术及纳米加工技术、纳米测量技术、纳米应用技术等方面。其中纳米材料技术着重于纳米功能性材料的生产(超微粉、镀膜、纳米改性材料等),性能检测技术(化学组成、微结构、表面形态、物、化、电、磁、热及光学等性能)。纳米加工技术包含精密加工技术(能量束加工等)及扫描探针技术。


纳米材料具有一定的独特性,当物质尺度小到一定程度时,则必须改用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为,当粉末粒子尺寸由10微米降至10纳米时,其粒径虽改变为1000倍,但换算成体积时则将有10的9次方倍之巨,所以二者行为上将产生明显的差异。

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纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大,也就是超微粒子的表面布满了阶梯状结构,此结构代表具有高表面能的不安定原子。这类原子极易与外来原子吸附键结,同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。


北京pk10开奖结果 就熔点来说,纳米粉末中由于每一粒子组成原子少,表面原子处于不安定状态,使其表面晶格震动的振幅较大,所以具有较高的表面能量,造成超微粒子特有的热性质,也就是造成熔点下降,同时纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结,而成为良好的烧结促进材料。


一般常见的磁性物质均属多磁区之集合体,当粒子尺寸小至无法区分出其磁区时,即形成单磁区之磁性物质。因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜时,将成为优异的磁性材料。


纳米粒子的粒径(10纳米——100纳米)小于光波的长,因此将与入射光产生复杂的交互作用。金属在适当的蒸发沉积条件下,可得到易吸收光的黑色金属超微粒子,称为金属黑,这与金属在真空镀膜形成高反射率光泽面成强烈对比。纳米材料因其光吸收率大的特色,可应用于红外线感测器材料。


北京pk10开奖结果 近年来在光学频率下工作的高效宽带纳米级光发射器引起了极大的兴趣,例如超紧凑光学芯片、生物成像、纳米光谱学和有源光子器件。有效的纳米级白光源的实现仍然是主要的基本挑战。大金属纳米颗粒的表面等离子体共振通常看起来非常宽,电场增强相对较弱。因此使用飞秒激光脉冲激发金属纳米颗粒,只会产生非常弱的光致发光。然而,通过将它们带到薄金属膜的表面可以显著改变这种情况。已知金属纳米粒子的可以通过薄金属膜诱导出镜像偶极子,水平方向的电偶极子与其镜像偶极子的相互作用可以形成具有较窄线宽的磁偶极子。如果采用飞秒激光脉冲在镜像磁偶极共振处激发金属纳米颗粒时,可以有效地增强光致发光。此外,由宽模式(明模式)和窄模式(暗模式)的相干相互作用可以形成所谓的Fano共振,导致显著增强的电场,对于增强光学非线性非常有用。


北京pk10开奖结果 研究者相信,此项研究在纳米白光光源、生物成像以及有源光子器件中具有潜在应用。相关论文在线发表在Laser & Photonics Review (DOI: 10.1002/lpor.201800214)上。


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