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核壳结构亚微米级颗粒是由一种材料通过化学键或其他相互作用将另一种材料包覆起来形成的有序组装结构。由于核壳的组分可设计性,在光学、电学、磁学等领域具有很多单一粒子无法比拟的特殊性能,因而收到广泛的重视。其中,光学特性是研究核壳结构粒子的一个重要方面,核壳颗粒的粒径大小、物质折射率以及浓度等相关信息可以通过分析其散射光而获取。所以,研究核壳结构颗粒的光散射特性对进一步研究和开发具有特殊性能的核壳材料具有重要意义。
本论文首先基于Mie散射理论研究内外层折射率、外层厚度大小以及入射光波长对核壳粒子光散射特性的影响；并利用时域有限差分法(FDTD)对颗粒近场范围的光场分布进行模拟,研究内外层折射率的改变对光场变化的影响。数值模拟结果表明:对于壳层为吸收介质的核壳粒子,内层折射率的改变对其光散射特性的影响很小,几乎可以忽略,而外层折射率对其影响很大；波长与颗粒尺寸同等量级的条件下,单层球和双层球粒子的90°散射光强随着波长的增加均有相同的变化规律；核壳粒子90°散射角的散射光强随着外层厚度的增加而近似成比例地增加。
利用乳液聚合方法制备了内核为聚苯乙烯,壳层为四氧化三铁的核壳双层颗粒(PS/Fe3O4)。仔细控制乳化剂、表面活性剂丙烯酸以及Fe3O4溶液的用量制备出包覆厚度不同的样品,并利用广角散射仪器测量出样品的有效粒径和分散度,根据实验结果分析了乳化剂、表面活性剂丙烯酸以及Fe3O4溶液的用量对颗粒包覆效果和包覆厚度的影响。
再次利用广角散射仪测量不同包覆厚度的样品在散射角10°～150°之间的散射光角度分布。实验结果表明:三种样品平均光子计数率(ACR)的角度分布规律基本上一致,ACR值随着散射角的增加均呈现先减小后增加的变化趋势,而且每个角度上三种样品ACR值大小的比较,均有:ACRc>ACRb>ACRa。
最后,根据实验中样品的相关参数,数值模拟其散射光角度分布,并与实验结果进行对比。结果表明由数值模拟得到的结果与实验结果基本上相符合,均呈现散射光强随着角度的增加而先减少后增加的规律。