CN110079298A - 一种量子等离激元材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种量子等离激元材料及其制备方法和应用,属于光耦合技术领域。本发明提供的量子等离激元材料的制备方法,包括以下步骤:将银纳米线水溶液和CdSe‑ZnS量子点水溶液混合后超声处理,得到混合溶液;在真空条件下,将所述混合溶液在基底上进行旋涂处理,得到量子等离激元材料。本发明以银纳米线作为等离子体波导,以CdSe‑ZnS量子点作为量子发射器,构建了一种新的量子等离激元体系,而且本发明提供的量子等离激元材料的制备方法简单,通过旋涂技术,将量子点均匀分布在银纳米线上,得到了一种新的量子等离激元体系,解决了现有技术中量子等离激元材料制备方法复杂的问题。
Description
技术领域
本发明涉及光耦合技术领域,尤其涉及一种能够激发等离激元的量子等离激元材料及其制备方法和应用。
背景技术
近年来关于如何提高纳米光子回路性能的研究日益深入,研究方向主要包括缩小纳米光子器件的尺寸、提高器件的工作速度、开发新的量子等离激元材料等。国内外研究人员致力于发展以各种纳米材料为基本单元的量子等离激元材料,并应用于集成回路中,创造出多功能、高性能的集成纳米光子回路。
等离激元是指在具有一定载流子浓度的固体系统中,由于载流子之间的库仑相互作用,使得空间中一处载流子浓度的涨落,引起其它地方载流子浓度的振荡。这种以载流子浓度的振荡为基本特征的元激发,称为等离激元。
金属纳米线由于其表面等离激元光波导,既能将光场限制在亚波长尺度又能低损耗的传导,使得人们常以纳米线等离子体波导为基础制备量子等离激元材料。但是现有技术中量子等离激元材料在制备过程中,常常需要进行物理/化学气相沉积、微纳加工等工艺流程,方法复杂。
发明内容
本发明提供了一种量子等离激元材料的制备方法,本发明提供的方法操作简单,通过旋涂技术,即可制备得到能够激发等离激元的量子等离激元材料。
本发明提供了一种量子等离激元材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)将银纳米线水溶液和CdSe-ZnS量子点水溶液混合后超声处理,得到混合溶液;
(2)在真空条件下,将所述步骤(1)得到的混合溶液在基底上进行旋涂处理,得到量子等离激元材料。
优选的,所述混合溶液中银纳米线的质量浓度为8wt%~20wt%。
优选的,所述混合溶液中CdSe-ZnS量子点的质量浓度为4wt%~12wt%。
优选的,所述步骤(1)中银纳米线水溶液的浓度为1~10mg/mL;所述CdSe-ZnS量子点水溶液的浓度为1~8μmol/L。
优选的,所述银纳米线的直径为120~860nm。
优选的,所述CdSe-ZnS量子点的直径为4~6nm。
优选的,所述步骤(2)中旋涂包括依次进行的低速旋涂和高速旋涂;所述低速旋涂的转速为1000~1500r/min,低速旋涂的时间为10~30min;所述高速旋涂的转速为2000~3000r/min,高速旋涂的时间为10~30min。
优选的,所述步骤(2)旋涂得到的涂层厚度为100~800μm。
本发明还提供了上述技术方案所述方法制备得到的量子等离激元材料,所述量子等离激元材料包括银纳米线和CdSe-ZnS量子点,所述CdSe-ZnS量子点分布在银纳米线表面。
本发明还提供了上述技术方案所述量子等离激元材料在纳米光子学材料与单光子器件中的应用。
本发明提供了一种量子等离激元材料的制备方法,包括以下步骤:将银纳米线水溶液和CdSe-ZnS量子点水溶液混合后超声处理,得到混合溶液;在真空条件下,将所述混合溶液在基底上进行旋涂处理,得到量子等离激元材料。本发明以银纳米线作为等离子体波导,以CdSe-ZnS量子点作为量子发射器,构建了一种新的量子等离激元体系,而且本发明提供的量子等离激元材料的制备方法简单,通过旋涂技术,将量子点均匀负载在银纳米线上,得到了一种新的量子等离激元体系,解决了现有技术中量子等离激元材料制备方法复杂的问题;而且本发明由此方法制备得到的量子等离激元材料中银纳米线具有波导特性,量子点的发射光能够在银纳米线表面以等离激元的形式进行传导;本发明提供的量子等离激元材料可以实现波长转换,将532nm的入射光转换成600nm的发射光。
附图说明
图1为实施例1原料中银纳米线的扫描电镜图;
图2为实施例1原料中CdSe-ZnS量子点的透射电镜图;
图3为实施例1制备得到的量子等离激元材料的透射电镜图;
图4为实施例1制备得到的量子等离激元材料的暗场显微镜图片。
具体实施方式
本发明提供了一种量子等离激元材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)将银纳米线水溶液和CdSe-ZnS量子点水溶液混合后超声处理,得到混合溶液;
(2)在真空条件下,将所述步骤(1)得到的混合溶液在基底上进行旋涂处理,得到量子等离激元材料。
本发明将银纳米线水溶液和CdSe-ZnS量子点水溶液混合后超声处理,得到混合溶液。
在本发明中,所述银纳米线的直径优选为120~860nm,进一步优选为150~800nm,更优选为300~700nm;所述原料银纳米线水溶液的浓度优选为1~10mg/mL,进一步优选为2~8mg/mL,更优选为4~6mg/mL。在本发明中,所述混合溶液中银纳米线的质量浓度优选为8wt%~20wt%,进一步优选为10wt%~18wt%,更优选为12wt%~16wt%。在本发明中,所述银纳米线采用市售商品即可。
在本发明中,所述CdSe-ZnS量子点的直径优选为4~6nm,进一步优选为5nm;所述原料中CdSe-ZnS量子点水溶液的浓度优选为1~8μmol/L,进一步优选为2~6μmol/L,更优选为3~5μmol/L。在本发明中,所述混合溶液中CdSe-ZnS量子点的质量浓度优选为4wt%~12wt%,进一步优选为5wt%~10wt%,更优选为6wt%~8wt%。在本发明中,所述CdSe-ZnS量子点采用市售商品即可。
得到银纳米线水溶液和CdSe-ZnS量子点水溶液后,本发明将银纳米线水溶液和CdSe-ZnS量子点水溶液混合后超声处理,得到混合溶液。本发明对银纳米线水溶液和CdSe-ZnS量子点水溶液的体积没有特别要求,以满足混合溶液中银纳米线质量浓度和CdSe-ZnS量子点质量浓度为准。在本发明中,所述超声的功率优选为80~120W,进一步优选为100W,所述超声的时间优选为8~15min,进一步优选为10min。
本发明以银纳米线水溶液和CdSe-ZnS量子点水溶液的形式将银纳米线和CdSe-ZnS量子点混合,然后再进行超声处理,有利于使银纳米线和CdSe-ZnS量子点在混合溶液中充分均匀混合,避免了直接将银纳米线和CdSe-ZnS量子点混合导致的团聚现象。
得到混合溶液后,本发明在真空条件下,将得到的混合溶液在基底上进行旋涂处理,得到量子等离激元材料。
在本发明中,所述旋涂优选在旋涂机中进行,所述旋涂优选包括依次进行的低速旋涂和高速旋涂;所述低速旋涂的转速优选为1000~1500r/min,进一步优选为1100~1400r/min,低速旋涂的时间优选为10~30min,进一步优选为15~25min;所述高速旋涂的转速优选为2000~3000r/min,进一步优选为2200~2800r/min,高速旋涂的时间优选为10~30min,进一步优选为15~25min。在本发明中,所述混合溶液在基底上旋涂得到的涂层厚度优选为100~800μm,进一步优选为200~600μm,更优选为300~500μm。
本发明优选在旋涂完成后,室温下放置,待涂层中溶剂蒸干即可得到量子等离激元材料。本发明对室温放置的时间没有特别要求,目测溶剂蒸干即可停止室温放置。本发明无需将涂层与基底分离。
本发明对基底的材质没有特殊要求,在本发明的实施例中,所述基底优选为硅片。
本发明通过旋涂处理,使量子点均匀负载在银纳米线上,得到上述技术方案所述量子等离激元材料。
本发明提供的量子等离激元材料中银纳米线具有波导特性,量子点的发射光能够在银纳米线表面以等离激元的形式进行传导;而且本发明提供的量子等离激元材料可以实现波长转换,将532nm的入射光转换成600nm的发射光。
本发明还提供了上述技术方案所述量子等离激元材料在微纳材料中的应用。
下面将结合本发明中的实施例,对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
(1)将银纳米线配置成浓度为1mg/mL的银纳米线水溶液;
(2)将直径为5nm的CdSe-ZnS量子点配置成浓度为1μmol/L的量子点水溶液;
(3)将100μL上述银纳米线水溶液和50μL上述量子点水溶液混合,然后再加入1mL蒸馏水稀释,得到混合溶液;将混合溶液超声处理10min,这样可以得到适合形成均匀涂覆层的混合溶液;
(4)使用移液器在混合溶液中取出100μL,滴在已经清洗干净且干燥的硅片上,将硅片置于旋涂机的载物台上,抽取真空,盖上旋涂机的玻璃盖,调节旋涂速度,依次进行低速旋涂和高速旋涂,低速旋涂的转速为1000r/min,时间为20min,高速旋涂的转速为2000r/min,时间为10min;旋涂结束后可以得到量子点均匀分布在银纳米线上的量子等离激元材料。
实施例2
(1)将银纳米线配置成浓度为5mg/mL的银纳米线水溶液;
(2)将直径为6nm的CdSe-ZnS量子点配置成浓度为2μmol/L的量子点水溶液;
(3)将上述银纳米线水溶液和上述量子点水溶液混合,得到混合溶液,混合溶液中银纳米线的质量浓度为8wt%,混合溶液中量子点的质量浓度为4wt%;将混合溶液超声处理12min,这样可以得到适合形成均匀涂覆层的混合溶液;
(4)使用移液器在混合溶液中取出100μL,滴在已经清洗干净且干燥的硅片上,将硅片置于旋涂机的载物台上,抽取真空,盖上旋涂机的玻璃盖,调节旋涂速度,依次进行低速旋涂和高速旋涂,低速旋涂的转速为1200r/min,时间为20min,高速旋涂的转速为2200r/min,时间为10min;旋涂结束后可以得到量子点均匀分布在银纳米线上的量子等离激元材料。
实施例3
(1)将银纳米线配置成浓度为10mg/mL的银纳米线水溶液;
(2)将直径为4nm的CdSe-ZnS量子点配置成浓度为8μmol/L的量子点水溶液;
(3)将上述银纳米线水溶液和上述量子点水溶液混合,得到混合溶液,混合溶液中银纳米线的质量浓度为20wt%,混合溶液中量子点的质量浓度为12wt%;将混合溶液超声处理15min,这样可以得到适合形成均匀涂覆层的混合溶液;
(4)使用移液器在混合溶液中取出100μL,滴在已经清洗干净且干燥的硅片上,将硅片置于旋涂机的载物台上,抽取真空,盖上旋涂机的玻璃盖,调节旋涂速度,依次进行低速旋涂和高速旋涂,低速旋涂的转速为1500r/min,时间为30min,高速旋涂的转速为3000r/min,时间为30min;旋涂结束后可以得到量子点均匀分布在银纳米线上的量子等离激元材料。
实施例4
(1)将银纳米线配置成浓度为6mg/mL的银纳米线水溶液;
(2)将直径为6nm的CdSe-ZnS量子点配置成浓度为5μmol/L的量子点水溶液;
(3)将上述银纳米线水溶液和上述量子点水溶液混合,得到混合溶液,混合溶液中银纳米线的质量浓度为15wt%,混合溶液中量子点的质量浓度为9wt%。将混合溶液超声处理15min,这样可以得到适合形成均匀涂覆层的混合溶液;
(4)使用移液器在混合溶液中取出100μL,滴在已经清洗干净且干燥的硅片上,将硅片置于旋涂机的载物台上,抽取真空,盖上旋涂机的玻璃盖,调节旋涂速度,依次进行低速旋涂和高速旋涂,低速旋涂的转速为1300r/min,时间为20min,高速旋涂的转速为2800r/min,时间为25min;旋涂结束后可以得到量子点均匀分布在银纳米线上的量子等离激元材料。
对实施例1原料中的银纳米线进行扫描电镜分析,分析结果如图1所示。
对实施例1原料CdSe-ZnS量子点进行透射电镜分析,结果如图2所示。由图2可知,本发明原料CdSe-ZnS量子点(简写为QDs)直径约为5nm。
对实施例1制备得到的量子等离激元材料进行透射电镜分析,结果如图3所示。由图3可知,本发明提供的量子等离激元材料中量子点附着在银纳米线上。
通过显微分光光度计对实施例1制备得到的量子等离激元材料的光学性能进行测试,测试方法为暗场微区显微成像表征技术,具体为:
使用一个波长为532nm的连续激光作为激发银纳米线的激发源。通过100倍的物镜(数值孔径为0.90),激光被聚焦到2μm直径的光斑;光致发光信号通过物镜后经过一个滤光装置即瑞利滤光片去除瑞利散射光之后经过光栅调节收集光谱的范围,然后将信号分别导向光谱仪和电荷耦合器以便进行光谱和图像的分别采集;将取样斑置于涂覆量子点的银纳米线的末端,利用显微分光光度计(CRAIC 20/20PV)采集银纳米线末端的发射光谱。测试结果如图4所示。图4中,黄色虚线表示银纳米线,红色发光点为量子点发射的波长为600nm的红光。由图4可知,本发明提供的量子等离激元材料中银纳米线具有波导特性,量子点的发射光能够在银纳米线表面以等离激元的形式进行传导;而且本发明提供的量子等离激元材料可以实现波长转换,将532nm的入射光转换成600nm的发射光。
实施例2~4得到的量子等离激元材料的光学性能与实施例1类似,实施例2制备得到的量子等离激元材料中银纳米线具有波导特性,量子点的发射光能够在银纳米线表面以等离激元的形式进行传导;而且实施例2~4制备得到的量子等离激元材料可以实现波长转换,将532nm的入射光转换成600nm的发射光。在此不再赘述。
综上,本发明提供了一种量子等离激元材料,本发明提供的量子等离激元材料以银纳米线作为等离子体波导,以CdSe-ZnS量子点作为量子发射器,构建了一种新的量子等离激元体系。另外,本发明提供的量子等离激元材料的制备方法简单,通过旋涂技术,使量子点均匀分布在银纳米线上,形成量子等离激元体系,解决了现有技术中量子等离激元材料制备方法复杂的问题。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种量子等离激元材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)将银纳米线水溶液和CdSe-ZnS量子点水溶液混合后超声处理,得到混合溶液;
(2)在真空条件下,将所述步骤(1)得到的混合溶液在基底上进行旋涂处理,得到量子等离激元材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述混合溶液中银纳米线的质量浓度为8wt%~20wt%。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述混合溶液中CdSe-ZnS量子点的质量浓度为4wt%~12wt%。
4.根据权利要求1~3任一项所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中银纳米线水溶液的浓度为1~10mg/mL;所述CdSe-ZnS量子点水溶液的浓度为1~8μmol/L。
5.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于,所述银纳米线的直径为120~860nm。
6.根据权利要求1或3所述的制备方法,其特征在于,所述CdSe-ZnS量子点的直径为4~6nm。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中旋涂包括依次进行的低速旋涂和高速旋涂;所述低速旋涂的转速为1000~1500r/min,低速旋涂的时间为10~30min;所述高速旋涂的转速为2000~3000r/min,高速旋涂的时间为10~30min。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)旋涂得到的涂层厚度为100~800μm。
9.权利要求1~8任一项所述方法制备得到的量子等离激元材料,所述量子等离激元材料包括银纳米线和CdSe-ZnS量子点,所述CdSe-ZnS量子点分布在银纳米线表面。
10.权利要求9所述量子等离激元材料在纳米光子学材料与单光子器件中的应用。
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