納米銀米表面等離子激元增強(qiáng)上轉(zhuǎn)換發(fā)光

楊 揚(yáng) 王 月 叢 妍 陳泳岐 黃云沖

(1寧波工程學(xué)院，微納材料與器件創(chuàng)新研究院，寧波 315211)

(2大連民族大學(xué)物理與材料工程學(xué)院，國(guó)家民委新能源與稀土資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116600)

0 引言

近年來，稀土摻雜上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料由于具有無毒、光穩(wěn)定性好以及發(fā)光帶窄且可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，在生物成像、太陽能電池、光學(xué)溫度傳感和光催化等領(lǐng)域的研究得到了廣泛關(guān)注[1?6]。然而，稀土摻雜的上轉(zhuǎn)換納米材料具有較小的吸收截面和較大的比表面積存在發(fā)光效率較低的顯著缺陷。迄今為止，實(shí)現(xiàn)高效上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率的常見策略包括基質(zhì)和摻雜離子濃度的調(diào)節(jié)、納米材料的尺寸和形貌及表面調(diào)控、核殼結(jié)構(gòu)的構(gòu)建以及局域場(chǎng)的調(diào)制等[7?13]。其中利用局域電磁場(chǎng)調(diào)控實(shí)現(xiàn)稀土摻雜上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率的增強(qiáng)成為一種有效途徑。當(dāng)入射光作用于金屬納米顆粒表面時(shí)，能夠在顆粒表面激勵(lì)電子產(chǎn)生集體振蕩，在這種共振頻率下，金屬納米顆粒誘導(dǎo)的表面等離激元能夠?qū)⑷肷涔獾哪芰烤钟蛟诒砻娴膩啿ㄩL(zhǎng)區(qū)域范圍內(nèi)，從而有效實(shí)現(xiàn)周圍局域電場(chǎng)的放大[14?15]。大量研究表明金屬納米顆粒的表面等離激元特性會(huì)受顆粒尺寸、形貌、周圍環(huán)境等因素的影響[16?20]。

貴金屬納米棒因具有較強(qiáng)的表面等離激元共振特性，在局域場(chǎng)增強(qiáng)上轉(zhuǎn)換發(fā)光方面得到了廣泛的關(guān)注[21?22]，其中短軸共振的橫向模式對(duì)納米棒的尺寸變化相對(duì)不敏感，長(zhǎng)軸共振的縱向模式與納米棒的長(zhǎng)徑比線性相關(guān)。與納米棒狀結(jié)構(gòu)的偶極縱向模式不同的是，準(zhǔn)一維納米Ag米狀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出高階共振的多極縱向模式，由于輻射阻尼較小，高階共振峰的線寬相對(duì)更窄。隨著納米顆粒長(zhǎng)度的增加，多階等離子體共振峰發(fā)生紅移，共振階數(shù)越高，移動(dòng)速率越小[23?24]。我們采用多元醇還原法制備了貴金屬納米Ag米，對(duì)其形貌和光學(xué)性能進(jìn)行了表征，并利用三維有限元法(3D?FEM)模擬了在共振激發(fā)下不同接觸方式的Ag米之間的等離子體耦合效果，進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)調(diào)控發(fā)射體周圍局域場(chǎng)的最佳作用效果，最終實(shí)現(xiàn)了上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度的極大增強(qiáng)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品制備

NaYF4∶Yb3+，Tm3+上轉(zhuǎn)換納米顆粒(Yb3+、Tm3+的摻雜濃度分別為20%、1%)通過高溫?zé)峤膺^程制備。將六水合氯化釔、六水合氯化鐿、六水合氯化銩按化學(xué)計(jì)量比加入到盛有6 mL油酸和15 mL十八烯的三口燒瓶中混合，抽真空30 min，加熱到150℃并保持20 min后降至室溫。隨后將提前配好的溶有氟化銨和氫氧化鈉的甲醇溶液通過注射泵勻速逐滴加入上述溶液中，通氬氣30 min后再將溫度升至80℃保溫1.5 h排除甲醇，最后，提高溫度至305℃反應(yīng)1.5 h，冷卻降至室溫，用環(huán)己烷/乙醇(1∶3，V/V)離心洗滌 3 次，最終得到 NaYF4∶Yb3+，Tm3+納米粒子。

貴金屬納米Ag米采用多元醇還原法制備。取10 mL的聚乙二醇加入到100 mL的圓底燒瓶中，在攪拌過程中滴入2 mL的1 mol·L-1聚乙烯醇吡咯烷酮溶液，以及0.2 mL新配制的1 mol·L-1硝酸銀溶液，勻速攪拌10～30 min，將圓底燒瓶移到113℃的油浴鍋中，磁力攪拌8 h后，冷卻降至室溫。用無水乙醇反復(fù)離心洗滌3～4次，得到納米Ag米。

NaYF4∶Yb3+，Tm3+薄膜、納米Ag米薄膜、NaYF4∶Yb3+，Tm3+/Ag復(fù)合薄膜:將導(dǎo)電玻璃FTO浸沒在分散著一定濃度 NaYF4∶Yb3+，Tm3+溶液的 10 mL環(huán)己烷溶液的玻璃瓶中，將玻璃瓶移入烘箱50℃保溫6 h，進(jìn)行簡(jiǎn)單自組裝過程得到NaYF4∶Yb3+，Tm3+薄膜。另外將導(dǎo)電玻璃FTO浸沒在分散著一定濃度納米Ag米溶液的10 mL乙醇溶液的玻璃瓶中，將玻璃瓶移入烘箱50℃保溫6 h，進(jìn)行簡(jiǎn)單自組裝過程得到納米Ag米薄膜。隨后將納米Ag米薄膜浸沒在分散著一定濃度 NaYF4∶Yb3+，Tm3+溶液的 10 mL 環(huán)己烷溶液的玻璃瓶中，將玻璃瓶移入烘箱50℃保溫6 h，進(jìn)行簡(jiǎn)單自組裝過程得到NaYF4∶Yb3+，Tm3+/Ag復(fù)合薄膜。

1.2 樣品表征

采用日立S?4800場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)分析樣品的尺寸和形貌，電鏡電子加速電壓5 kV，二次電子成像分辨率2 nm。采用Lambda 750紫外可見近紅外分光光度計(jì)對(duì)樣品的消光性能進(jìn)行檢測(cè)。上轉(zhuǎn)換光譜由Olympus ix71倒置顯微鏡和Jobin Yvon iHR550單色儀聯(lián)合采集。

1.3 理論計(jì)算

通過3D?FEM模擬，對(duì)所有樣本模型進(jìn)行了理論計(jì)算。模擬樣品模型位于折射率為1的均勻介質(zhì)中。在980 nm激發(fā)光的激發(fā)下，計(jì)算納米Ag米(直徑D2=450 nm，D3=50 nm)不同接觸方式的局域電磁場(chǎng)，且2個(gè)Ag米間的距離設(shè)置為3 nm。外邊界散射用一個(gè)完美的匹配層(PML)來最小化。將模擬樣品模型置于x?z平面上，入射光在z方向上以1 V·m-1的電磁波振幅極化，在y方向上傳播。

2 結(jié)果與討論

上轉(zhuǎn)換納米顆粒通過簡(jiǎn)單自組裝法構(gòu)成的NaYF4納米薄膜的俯視形貌如圖1a所示，由圖中可以看出NaYF4∶Yb3+，Tm3+呈現(xiàn)出規(guī)則的球狀形貌，組裝后的顆粒分散不團(tuán)聚，形貌規(guī)則統(tǒng)一，粒徑尺寸均勻，納米球的平均直徑為30 nm。從圖1b的納米Ag米自組裝薄膜俯視電鏡圖可以看出，通過多元醇還原法得到的貴金屬Ag納米結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)度450 nm、直徑50 nm的雙梭形米狀結(jié)構(gòu)，在組裝后沒有出現(xiàn)堆疊，表現(xiàn)出相對(duì)平整的緊密排布，有利于上轉(zhuǎn)換納米顆粒的沉積。隨后，采用同樣的方式將NaYF4∶Yb3+，Tm3+隨機(jī)組裝在納米Ag米薄膜表面，得到NaYF4∶Yb3+，Tm3+/Ag復(fù)合發(fā)光薄膜。圖1c顯示了復(fù)合薄膜的截面形貌，可以看到，復(fù)合后薄膜的厚度約為120 nm，表面平坦。由于構(gòu)成發(fā)光層的NaYF4和等離子體層的納米Ag米顆粒尺寸差異較大，較小的NaYF4粒子在Ag米表面形成一薄層的覆蓋，因此從電鏡的截面圖中觀察其層狀結(jié)構(gòu)并不明顯。進(jìn)一步結(jié)合復(fù)合薄膜的局域放大俯視電鏡圖，可以清晰地觀察到NaYF4∶Yb3+，Tm3+發(fā)光納米顆粒的形貌，并且透過發(fā)光層仍能看到被覆蓋的Ag米的形貌。這種NaYF4∶Yb3+，Tm3+納米顆粒薄層均勻地鋪設(shè)在Ag米表面的結(jié)構(gòu)，很大程度上保證了發(fā)光體處于貴金屬等離子體局域場(chǎng)的有效作用距離。納米Ag米的表面等離激元共振特性則通過圖1d消光光譜可以看到，由于類棒狀結(jié)構(gòu)，Ag米消光特性表現(xiàn)為峰位約380 nm的橫向等離子體共振和縱向等離子體共振。值得注意的是，縱向共振模式是由峰值約為1 450 nm的偶極縱向共振，以及從可見光區(qū)一直延伸到近紅外光區(qū)的多個(gè)高階縱向共振構(gòu)成，其中近紅外區(qū)域的消光峰來源于偏振方向平行于長(zhǎng)軸的電場(chǎng)(縱向電場(chǎng))，而紫外區(qū)域的峰來源于偏振方向垂直于長(zhǎng)軸的電場(chǎng)(橫向電場(chǎng))[25]。

圖1 (a)NaYF4∶Yb3+,Tm3+薄膜和(b)納米Ag米薄膜的俯視SEM圖;(c)NaYF4∶Yb3+,Tm3+/Ag薄膜的截面SEM圖和俯視SEM局部放大圖;(d)納米Ag米的消光光譜圖Fig.1 Top views of SEM images of(a)NaYF4∶Yb3+,Tm3+film and(b)Ag nano?rices film;(c)Side view and locally magnified top view of SEM image of NaYF4∶Yb3+,Tm3+/Ag film;(d)Extinction spertrum of Ag nano?rices

當(dāng)入射光作用于貴金屬納米Ag米時(shí)，Ag米周圍形成局域表面等離子激元，產(chǎn)生局域場(chǎng)，并在表面附近形成高電場(chǎng)強(qiáng)度的“熱點(diǎn)”，這種“熱點(diǎn)”能有效地增強(qiáng)鄰近的稀土離子摻雜的上轉(zhuǎn)換發(fā)光[26?27]。為了更深入地理解納米Ag米表面等離子共振特性誘導(dǎo)的周圍局域場(chǎng)變化，我們采用3D?FEM方法模擬了在980 nm激發(fā)下的單獨(dú)Ag米在不同電場(chǎng)方向下的局域電磁場(chǎng)分布情況，其中入射光是垂直于y軸入射，并沿z軸偏振，如圖2所示。通過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)Ag米處于橫向電場(chǎng)時(shí)，顆粒周圍的電磁場(chǎng)強(qiáng)度(|E|2/|E0|2)可以增加到原來的5.31倍。值得注意的是，當(dāng)Ag米處于縱向電場(chǎng)時(shí)，Ag納米顆粒的近場(chǎng)分布表現(xiàn)出一個(gè)很強(qiáng)的類偶極等離子體共振特性，并在2個(gè)長(zhǎng)尖端“熱點(diǎn)”附近獲得268倍的電磁場(chǎng)強(qiáng)度提高。

圖2 980 nm激發(fā)下的單個(gè)納米Ag米的局域電磁場(chǎng)分布Fig.2 Localized electromagnetic field distribution of single Ag nano?rice on different electric field direction under 980 nm excitation

為了更好地研究等離子體層對(duì)鄰近上轉(zhuǎn)換納米顆粒周圍的局域光場(chǎng)的影響，模擬計(jì)算了相互臨近的Ag米之間可能形成的等離激元耦合作用。如圖3所示，我們把Ag米之間接觸的相對(duì)位置大致分為3種接觸模式：(a)并排接觸、(b)交叉接觸和(c)尖端接觸。根據(jù)前面提到的單獨(dú)Ag米的電磁場(chǎng)特點(diǎn)，對(duì)比不同接觸類型的局域電磁場(chǎng)強(qiáng)度分布可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Ag米模型處于橫向電場(chǎng)時(shí)，45°的交叉接觸(360倍)相較于并排接觸模式(69.4倍)和尖端接觸模式(17.3倍)表現(xiàn)出更顯著的電磁場(chǎng)增強(qiáng)。當(dāng)Ag米模型處于縱向電場(chǎng)時(shí)，Ag米之間的等離激元耦合作用顯著提高，此時(shí)尖端接觸類型即在Ag與Ag尖端接觸界面對(duì)應(yīng)的“熱點(diǎn)”處實(shí)現(xiàn)最大局域場(chǎng)增強(qiáng)，可以達(dá)到5個(gè)數(shù)量級(jí)的增強(qiáng)，遠(yuǎn)大于處于縱向電場(chǎng)的并排接觸(626倍)和90°的交叉接觸(441倍)。對(duì)比不同接觸類型的局域電磁場(chǎng)強(qiáng)度分布可以看出，當(dāng)納米Ag米模型處于縱向電場(chǎng)占主導(dǎo)的環(huán)境下，能夠表現(xiàn)出相對(duì)顯著的局域場(chǎng)增強(qiáng)，并且此時(shí)尖端接觸的最大電場(chǎng)增強(qiáng)效果也證實(shí)了“熱點(diǎn)”處的最佳接觸模式。根據(jù)模擬增強(qiáng)的電磁場(chǎng)結(jié)果我們可以推測(cè)，隨機(jī)分布組裝在FTO基底上的具有超寬局域表面等離激元特性的納米Ag米之間會(huì)發(fā)生表面等離激元的耦合，對(duì)近紅外入射光980 nm有強(qiáng)烈的聚焦和放大作用，通過共振將能量傳遞給上轉(zhuǎn)換納米顆粒，這種增強(qiáng)的局域場(chǎng)有利于提高上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度。

圖3 980 nm激發(fā)下納米Ag米之間的不同接觸模式的局域電磁場(chǎng)分布Fig.3 Localized electromagnetic field distribution between Ag nano?rices with different contact modes under 980 nm excitation

為了可以更直觀地了解納米Ag米粒子在形成Ag米薄膜后實(shí)際的局域場(chǎng)增強(qiáng)情況，根據(jù)電鏡圖1b所示的Ag米薄膜中Ag米隨機(jī)分布情況，模擬計(jì)算了在980 nm激發(fā)下相互臨近的多個(gè)Ag米之間可能形成的等離激元耦合作用。如圖4所示，我們可以看到Ag米在形成薄膜后，電場(chǎng)分布較為隨機(jī)，Ag米間出現(xiàn)了不同接觸方式，并產(chǎn)生了不同強(qiáng)度的電場(chǎng)耦合效應(yīng)，接觸熱點(diǎn)處最大電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)6個(gè)數(shù)量級(jí)左右，多個(gè)粒子間等離激元耦合作用效果明顯，所以Ag米薄膜的電場(chǎng)增強(qiáng)效果遠(yuǎn)大于單獨(dú)的Ag米粒子，多個(gè)粒子構(gòu)成的Ag米薄膜能夠產(chǎn)生顯著的電磁場(chǎng)增強(qiáng)現(xiàn)象。

圖4 980 nm激發(fā)下多個(gè)納米Ag米的局域電磁場(chǎng)分布Fig.4 Localized electromagnetic field distribution of multiple Ag nano?rices under 980 nm excitation

在本工作中，我們選定 NaYF4∶Yb3+，Tm3+作為用來靠近貴金屬納米Ag米的上轉(zhuǎn)換發(fā)光體模型，結(jié)合電磁場(chǎng)仿真結(jié)果，研究對(duì)比了 NaYF4∶Yb3+，Tm3+薄膜和NaYF4∶Yb3+，Tm3+/Ag復(fù)合薄膜的發(fā)光特性。圖5a為980 nm激光激發(fā)下NaYF4∶Yb3+，Tm3+的上轉(zhuǎn)換布居和發(fā)射過程的示意圖。Yb3+離子充當(dāng)敏化劑，在980 nm入射光激發(fā)下產(chǎn)生2F7/2→2F5/2躍遷，將吸收的能量轉(zhuǎn)移給發(fā)光中心Tm3+離子的多重能級(jí)，分別為1D2→3F4和1G4→3H6躍遷的藍(lán)光發(fā)射、1G4→3F4躍遷的紅光發(fā)射，其中1D2能級(jí)布居為四光子吸收過程，1G4能級(jí)布居為三光子吸收過程[28]。為了保證對(duì)比實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性，我們采用同樣的實(shí)驗(yàn)條件分別在相同尺寸的FTO基底和Ag薄膜上沉積了相同尺寸(30 nm)、相同濃度的NaYF4∶Yb3+，Tm3+納米顆粒，最終得到2種發(fā)光薄膜。通過對(duì)比980 nm激光作用下等離子層復(fù)合前后的發(fā)光特性可以看到(圖5b)，復(fù)合薄膜發(fā)光光譜的峰形、峰位與 NaYF4∶Yb3+，Tm3+薄膜一致，沒有發(fā)現(xiàn)其他發(fā)光峰，說明貴金屬的添加沒有影響上轉(zhuǎn)換發(fā)光過程的本質(zhì)。同時(shí)，由于引入了具有局域表面等離子激元效應(yīng)的納米Ag米層，NaYF4∶Yb3+，Tm3+的上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度得到了顯著提高，這也證實(shí)了復(fù)合的貴金屬納米結(jié)構(gòu)確實(shí)增強(qiáng)了發(fā)射體的局域電場(chǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了發(fā)光性能的提升。

圖 5 (a)NaYF4∶Yb3+,Tm3+上轉(zhuǎn)換發(fā)光機(jī)理圖;(b)NaYF4∶Yb3+,Tm3+和 NaYF4∶Yb3+,Tm3+/Ag的發(fā)光光譜圖Fig.5 (a)Upconversion luminescence mechanism of NaYF4∶Yb3+,Tm3+;(b)Luminescence spectra of NaYF4∶Yb3+,Tm3+and NaYF4∶Yb3+,Tm3+/Ag

考慮到等離激元增強(qiáng)的近場(chǎng)效應(yīng)的有效作用距離是有限的(一般小于10 nm)，同時(shí)根據(jù)上轉(zhuǎn)換納米顆粒在Ag薄膜表面的分布特點(diǎn)(圖1c)，我們無法直觀地通過SEM截面圖確定等離子層和發(fā)光層的各層厚度，進(jìn)而準(zhǔn)確調(diào)節(jié)兩層間的作用距離來實(shí)現(xiàn)局域場(chǎng)的最佳作用效果。因此，為了探究局域場(chǎng)與發(fā)光粒子之間的作用距離對(duì)熒光增強(qiáng)的影響，我們通過改變組裝樣品溶液的濃度，實(shí)現(xiàn)復(fù)合薄膜發(fā)光性能的優(yōu)化。表1給出了980 nm激發(fā)下組裝不同濃度納米Ag米溶液的復(fù)合發(fā)光薄膜在不同發(fā)射位置的發(fā)光增強(qiáng)倍數(shù)，可以看到，當(dāng)沉積的NaYF4∶Yb3+，Tm3+溶液濃度為 30 μmol·L-1時(shí)，發(fā)光強(qiáng)度隨Ag米溶液濃度的增加而提高，并在100μmol·L-1時(shí)達(dá)到最大值，隨后發(fā)光強(qiáng)度發(fā)生猝滅現(xiàn)象，這主要是由于等離子體材料表面載流子共振所帶來的熱效應(yīng)大幅度提高。

表1 不同Ag米濃度的NaYF4∶Yb3+,Tm3+/Ag薄膜(30 μmol·L-1NaYF4∶Yb3+,Tm3+)的不同發(fā)射位置及整體發(fā)光增強(qiáng)倍數(shù)Table 1 Luminescence enhancement factors of different emission peaks and overall in NaYF4∶Yb3+,Tm3+/Ag film(30 μmol·L-1NaYF4∶Yb3+,Tm3+)with different Ag nano-rices concentrations

在確定了制備最佳厚度Ag米層的前驅(qū)體溶液的濃度值(100μmol·L-1)后，我們?cè)谙嗤瑢?shí)驗(yàn)條件下進(jìn)一步制備了一系列不同NaYF4∶Yb3+，Tm3+溶液濃度的復(fù)合發(fā)光薄膜。通過表2中給出的發(fā)光增強(qiáng)倍數(shù)，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)調(diào)節(jié) NaYF4∶Yb3+，Tm3+溶液濃度為40μmol·L-1時(shí)所制備的復(fù)合薄膜具有最佳的發(fā)光層厚度，可實(shí)現(xiàn)最大發(fā)光增強(qiáng)效果。也就是說，組裝NaYF4∶Yb3+，Tm3+/Ag薄膜中各層溶液的最佳濃度分別 為 100 μmol·L-1Ag米 溶液 和 40 μmol·L-1NaYF4∶Yb3+，Tm3+溶液，此時(shí)發(fā)光強(qiáng)度整體增強(qiáng)約 89倍，其中發(fā)射位置在450 nm(1D2→3F4)處的藍(lán)光增強(qiáng)約105倍，在474 nm(1G4→3H6)處的藍(lán)光增強(qiáng)約90倍，在646 nm(1G4→3F4)處的紅光增強(qiáng)約47倍。綜上，結(jié)合前面的仿真結(jié)果，通過實(shí)驗(yàn)探究證實(shí)了貴金屬誘導(dǎo)的電磁場(chǎng)增強(qiáng)確實(shí)提高了上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性，同時(shí)優(yōu)化組裝溶液的濃度探究了近場(chǎng)效應(yīng)對(duì)鄰近發(fā)射體的影響，得到了上轉(zhuǎn)換發(fā)光的極大增強(qiáng)效果。

表2 不同NaYF4∶Yb3+,Tm3+濃度的NaYF4∶Yb3+,Tm3+/Ag薄膜(100 μmol·L-1Ag米)的不同發(fā)射位置及整體發(fā)光增強(qiáng)倍數(shù)Table 2 Luminescence enhancement factors of different emission peaks and overall in NaYF4∶Yb3+,Tm3+/Ag film(100 μmol·L-1Ag nano-rices)with different NaYF4∶Yb3+,Tm3+concentrations

3 結(jié)論

通過采用多元醇還原法制備了貴金屬納米Ag米，研究了自組裝方法得到的薄膜的形貌及光學(xué)性質(zhì)。同時(shí)利用3D?FEM手段對(duì)納米Ag米相互之間不同的接觸方式所產(chǎn)生的局域電磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行了細(xì)致的分析。模擬結(jié)果表明，當(dāng)納米Ag米模型處于縱向電場(chǎng)占主導(dǎo)的環(huán)境下，能夠表現(xiàn)出局域電磁場(chǎng)5個(gè)數(shù)量級(jí)的大幅度提高。通過復(fù)合貴金屬納米Ag米和上轉(zhuǎn)換納米顆粒NaYF4∶Yb3+，Tm3+構(gòu)成復(fù)合發(fā)光薄膜，同時(shí)優(yōu)化發(fā)光層與等離子層的厚度，獲得了上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度將近百倍的增強(qiáng)效果。