金刚石表面等离激元纳米结构制备与光学特性研究
结题报告
批准号:
51672102
项目类别:
面上项目
资助金额:
62.0 万元
负责人:
李红东
依托单位:
学科分类:
E0203.碳素材料与超硬材料
结题年份:
2020
批准年份:
2016
项目状态:
已结题
项目参与者:
成绍恒、刘钧松、王启亮、马一博、王丽莹、袁晓溪、裴凯、闫玲美
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中文摘要
金刚石晶体在光学领域具有十分重要的应用价值,如何高效地提升其光学性质,并设计新型高性能光学器件,是金刚石迈向实际应用需要解决的关键科学问题。本项目拟在金刚石晶体引入表面等离激元纳米结构,研究表面等离激元共振对金刚石从深紫外到红外波段的发光增强作用。通过在所制备的高质量本征金刚石单晶及引入色心的金刚石单晶或多晶膜表面,有选择性地沉积不同种类金属纳米颗粒,设计和构筑特殊表面等离激元纳米结构;结合时域有限差分法计算分析,通过调制金属纳米颗粒的种类、介电常数、尺寸、形状,以及金刚石微纳米表面结构等因素,实现金属纳米颗粒-金刚石近场局域电磁场增强,使金刚石深紫外带间复合发光及不同色心的可见和红外发光获得共振增强;以金刚石表面等离激元纳米结构为基底,实现从深紫外到红外多波长激发的表面增强拉曼散射(SERS)。本项目的实施,将为拓展金刚石在多个研究领域的应用提供新的理论依据和实验数据。
英文摘要
Diamond has been widely applied in the field of optics. How to improve its optical properties and performances of the devices are the key scientific issues to realize the practical applications of diamond. In this project, we would introduce surface plasmon (SP) nanostructures on diamond and investigate its resonant enhancements on the diamond’s fluorescence from the deep ultraviolet (UV) to the infrared emissions. The SP nanostructures are fabricated by depositing selected metal nanoparticles on high quality intrinsic single crystal diamonds and single/polycrystalline diamond films with various color centers. Based on the finite-difference time-domain (FDTD) simulations, and further taking into account the dielectric constant, size and shape of the metal nanoparticles and the micro-nano structured surface of diamond beneath, the intensity of localized electromagnetic fields near the metal nanoparticles/diamond are strongly increased, and thus enhance the band-band UV emission and the color center emissions. The diamonds with SP nanostructure would also be used as surface-enhanced Raman scattering (SERS) substrate for realizing efficient SERS excited under excitations with different wavelengths. The implementation of this project would provide new theoretical and experimental data for the future application of diamond in multiple research fields.
本项目基于拓展金刚石在光学领域的新应用,深入系统地开展了金刚石表面等离激元纳米结构与表面增强拉曼散射(SERS,Surface-Enhanced Raman Scattering)基底特性的研究,在金刚石基局域表面等离激元共振(localized Surface Plasmon Resonance, LSPR) 及SERS的理论与实验方面,取得了创新性成果。. 首次利用硼掺杂金刚石(BDD)作为基底实现了半导体SERS增强,通过氢终端(H-)和氧终端(O-)修饰,调制其导带和价带能级结构,与探针分子的HOMO及LUMO能级匹配,在特定激光能量作用下,发生探针分子与BDD之间的电荷转移,实现金刚石基半导体SERS化学增强。对亚甲基蓝等探针分子,其SERS增强因子可达~10^5,远高于传统元素半导体(如硅、锗等)的增强因子(10-10^2),检测极限可达10^-7 M,同时具有稳定性高、重复性好、特异性、可清洗等优异特性,为半导体SERS基底材料家族增加了新成员。. 利用时域有限差分法(FDTD)模拟方法,通过调制金属纳米颗粒的种类、介电常数、尺寸、形状,以及金刚石微纳表面结构等参数,分析金属纳米颗粒/金刚石复合结构从紫外到红外波段的LSPR增强作用,理论上证明金属纳米颗粒/金刚石结构可实现近场局域电磁场增强。利用溅射镀膜等方法,在金刚石单晶表面沉积不同厚度的金、铂、铝金属纳米膜,并通过高温退火的方法,制备金属纳米颗粒/金刚石复合结构,通过调控膜沉积厚度、退火温度、退火时间等工艺参数,实现对纳米颗粒形貌和尺寸的调控。获得的金属纳米颗粒/金刚石复合结构具有SERS性能,为实验上探测从紫外到红外波段的LSPR增强提供了实验基础。. 制备金纳米颗粒/BDD复合结构SERS基底,实现了金纳米颗粒等离激元电磁场增强与BDD化学增强的协同作用。发展了多种在金刚石表面沉积金属纳米颗粒并增加金刚石表面粗糙度的方法,以利于提高金刚石基SERS基底的性能。通过探针分子的拉曼光谱检测,获得了更高的SERS增强效果。金属纳米颗粒/金刚石复合结构SERS基底具有高灵敏度、稳定性、可循环性、可重复性等优点。. 该项目的完成,为拓展金刚石基微纳光子学、SERS芯片等多领域应用提供了重要的理论依据和实验数据。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:10.1039/c8cp03624a
发表时间:2018-08
期刊:Physical chemistry chemical physics : PCCP
影响因子:--
作者:Rui Xu;N. Gao;Hongdong Li;Dongchao Qiu;Qiliang Wang;Shaoheng Cheng
通讯作者:Rui Xu;N. Gao;Hongdong Li;Dongchao Qiu;Qiliang Wang;Shaoheng Cheng
Superhydrophilic surface of oxidized freestanding CVD diamond films: Preparation and application to test solution conductivity
氧化独立CVD金刚石薄膜的超亲水表面:制备及其在测试溶液电导率中的应用
DOI:10.1016/j.rinp.2019.102628
发表时间:2019-12
期刊:Results in Physics
影响因子:5.3
作者:Ma Yibo;Tong Junhong;Zhuang Mutian;Liu Junsong;Cheng Shaoheng;Pei Xiaoqiang;Li Hongdong;Sang D;an
通讯作者:an
Gold-Nanoparticles/Boron-Doped-Diamond Composites as Surface-Enhanced Raman Scattering Substrates
金纳米颗粒/硼掺杂金刚石复合材料作为表面增强拉曼散射基底
DOI:10.1088/0256-307x/37/6/068102
发表时间:2020-05
期刊:Chinese Physics Letters
影响因子:3.5
作者:Ai-Qi Zhang;Qi-Liang Wang;Ying Gao;Shao-Heng Cheng;Hong-Dong Li
通讯作者:Hong-Dong Li
Polychlorinated Biphenyl Electrochemical Aptasensor Based on a Diamond–Gold Nanocomposite to Realize a Sub-Femtomolar Detection Limit
基于金刚石-金纳米复合材料的多氯联苯电化学适体传感器实现亚飞摩尔检测限
DOI:10.1021/acsomega.0c02846
发表时间:2020-08
期刊:ACS Omega
影响因子:4.1
作者:Xiaoxi Yuan;Zhigang Jiang;Qiliang Wang;Nan Gao;Hongdong Li;Yibo Ma
通讯作者:Yibo Ma
Diamond-based electrochemical aptasensor realizing a femtomolar detection limit of bisphenol A
金刚石基电化学适体传感器实现双酚A的飞摩尔检测限
DOI:10.1016/j.bios.2017.01.041
发表时间:2017
期刊:Biosensors & Bioelectronics
影响因子:12.6
作者:Ma Yibo;Liu Junsong;Li Hongdong
通讯作者:Li Hongdong
引入纳米金刚石提升锂离子电池性能及其机理研究
  • 批准号:
    52172044
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    58万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    李红东
  • 依托单位:
半导体金刚石浅施主n型掺杂的理论与实验研究
  • 批准号:
    51972135
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万元
  • 批准年份:
    2019
  • 负责人:
    李红东
  • 依托单位:
二维金刚石纳米膜的结构演化及物性的理论与实验研究
  • 批准号:
    51472105
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    83.0万元
  • 批准年份:
    2014
  • 负责人:
    李红东
  • 依托单位:
纳米氧化锌/p型金刚石异质结制备及其负阻特性研究
  • 批准号:
    51072066
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    37.0万元
  • 批准年份:
    2010
  • 负责人:
    李红东
  • 依托单位:
大尺寸CVD金刚石单晶的快速生长及其硼掺杂特性的研究
  • 批准号:
    50772041
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    32.0万元
  • 批准年份:
    2007
  • 负责人:
    李红东
  • 依托单位:
国内基金
海外基金