基于等离子体双共振增强上转换纳米颗粒发光强度的研究

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稀土元素掺杂的上转换纳米颗粒能够受多个低频光子激发而辐射出一个高频光子,具有超高的成像对比度、高的光稳定性和优越的光学穿透深度,在光学成像和治疗等领域得到越来越广泛的关注。然而,由于吸收截面较小、能量传递率低和表面缺陷的存在,上转换发光效率较低始终是限制其广泛应用的关键所在。金属纳米材料的表面局域等离子共振特性可以用来有效地增强它的上转换效率。表面局域等离子共振是一种与局域于纳米尺度的自曲电子集体振荡相关的电磁波模式。在共振激发下,靠近金属纳米颗粒表面的自由空间光场将会被极大地增强。金属纳米材料的表面局域等离子共振用于增强上转换纳米颗粒发光强度主要源于对激发光强度的增强或对发光强度/量子效率的增强(由Purcell效应引发)。在已有的报道中,等离子共振增强上转换发光强度的方法并没有得到较高的增强倍数(从几倍到数百倍),因为他们只能应用激发场增强或Purcell效应其中之一。本文中,我们首次将等离子双共振方法用于增强上转换纳米颗粒的发光强度,即同时利用激发场增强和Purcell效应增强上转换发光强度。我们设计并合成了具有两个吸收(共振)峰的纳米金棒,使其分别与ZrO2∶Yb3+,Er3+上转换纳米颗粒的吸收峰和绿光发光带重叠,实现了等离子双共振增强上转换发光强度。我们将纳米颗粒均匀的固定在盖玻片上,调控它们的间距,实现了单颗粒水平上研究纳米金棒的等离子共振增强上转换纳米颗粒的发光强度。此外,我们还提出小尺寸的上转换纳米颗粒在等离子共振增强方式作用下会得到较高的增强效率。由于纳米金棒的局域场强会随远离其表面的距离的增大而急剧衰减,小颗粒上转换纳米颗粒中掺杂的发光离子能得到高效的增强,而大颗粒上转换纳米颗粒中的离子仅有极少部分能得到有效增强。联合激发场增强和Purcell效应,在单颗粒水平,超小型(4nm左右)的ZrO2∶Yb3+,Er3+上转换纳米颗粒的发光强度增强倍数超过了35000倍。与此同时,我们在实验上将激发场增强(约1400倍)和发光增强(约25倍)分离。此研究不仅提供了高效增强上转换发光强度的方法,还拓展了上转换纳米颗粒的应用。
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