金属纳米颗粒复合薄膜的光吸收特性研究

图 2 不同金属的介电常数与波长的关系 F ig. 2 Perm ittiv ity of d ifferent m eta ls vs w aveleng th
在这里对几种复合薄膜吸收峰的理论值与实 验值进行了比较, 对于 B aT iO3 载体介质, 取 nd = 2. 3; 对 于 ZnO 载 体介 质, 取 nd = 1. 85[ 12] ; 对 于 S iO 2 载体介质, 取 nd = 1. 45[ 13] . 比较结果如表 1 所示, 从表中可以看出实验得到的吸收峰对应的 光波长与理论计算值基本吻合. 实验中, 不同的制 备方法和实验条件会导致金属颗粒的大小变化, 从而影响其介电常数, 使得实验观察结果有一个 范围, 另外, 不同制备方法得到的载体介质的折射 率也会有所不同, 这也会导致理论计算结果与实 验结果的差异.
假设金属颗粒为球形, 尺寸远远小于入射波 长 时, 复 合 材 料 的 有 效 介 电 常 数 eff 通 过 Lo rentz局域场理论可得 [ 8]
- eff
d
eff - 2 d
=
p
+
2
d,
d
( 1)
这里 p 为复合材料中金属颗粒的体积 分数, 是
金属的介电常数 (复数 ), 它是频率 的函数, 由
的微结 构及 光 吸 收 特性 研 究 [ J]. 物 理 学 报, 2006, 55: 2078- 2083. [ 6] 杨景景, 方庆清, 王保 明, 等. Co掺杂对 ZnO 薄膜结 构和性能的影响 [ J]. 物理学报, 2007, 56: 1116- 1120. [ 7 ] Ba rm a M, Subrahmanyam V. O ptica l absorption in sm a ll m etal partic les [ J]. J Phy s: CondensM a tter, 1989, 1: 7681- 7688. [ 8] H a le D K. The physical properties o f com posite m ate rials [ J]. JM ater Sc,i 1976, 11: 2105- 2141. [ 9] A rno ld G W, Bordes J A. A ggregation and m ig ra tion o f ion imp lanted s ilv er in lithia a lum ina silica g lass [ J]. J A pp l Phys, 1977, 48: 1488- 1496. [ 10] P alik E D. H andbook o f O ptica l Constants o f So lids [ M ]. San D iego: A cadem ic P ress, 1985. [ 11] Becke rs L, Schubert J, Zander W, et a.l Structu ra l and optical cha racte rization o f ep itax ia l w avegu iding BaT iO3 thin film s on M gO [ J]. J A ppl Phys, 1998, 83: 3305- 3310. [ 12] 阮宜斌, 孟立建, 梁二军. V 含量对 ZnO 薄 膜结构 及光学特性 的影 响 [ J]. 无 机化 学学 报, 2006, 22: 22472 252. [ 13] 许丕 池, 卢忠 远, 何仿 方, 等. 热处 理对 静电 自组 装 S iO 2 光学 薄膜 的 影响 [ J]. 四 川大 学学 报: 自 然 科学 版, 2005, 42: 132- 138.
16
烟台大学学报 (自然科学与工程版 )
第 21卷
部, nd 是载体介质的折射率. 从式 ( 2)可知当满足 1 + 2n2d = 0的条件时, 即出现金属自由电子的表
面等离子体共 振现象, 此时 !达到最大, 从而导 致吸收峰的出现, 因此, 要得到表面等离子振荡频 率, 关键是要得金 属介电常数 的实部 1 的 表达 式. 通过上述分析可以看出, 对于金属纳米团簇复 合薄膜来讲, 不同的掺杂金属 (不同的 ( ) )和 不同的载体介质 (不同的 nd )都会影响吸收峰的 位置或强弱.
根据 M ie散射理论, 研究了复合薄膜的光吸 收特性. 结果表明, 镶嵌不同的金属颗粒将在不同 的波段出现表面等离子体共振吸收峰, 峰位的变 化取决于金属颗粒的介电常数 和载体介质的折 射率 nd.
1 理论方法
对于金属纳米复合薄膜奇特的光吸收特性, 其吸收峰的出现主要来自于金属颗粒的表面等离
子体振荡效应 ( 金属自由电子在入射光作用下的 共振现象 ), 从而对某一波长产生共振吸收 [ 7] . 由 于强光作用, 使得在金属颗粒内产生局域电场, 从 而产生极化.
化不大时, 复合薄膜的共振吸收峰峰位决定于金属介电常数的实部 1 和载体介质的折射
率 nd. 关键词: 复合薄膜; M ie散射理论; 共振吸收峰
中图分类号: O437
文献标识码: A
纳米复合薄膜是一类具有广泛应用前景的纳
米材料, 它主要利用纳米粒子所具有的光、电、磁 方面的特异性能, 通过复合从而赋予基体所不具 备的性能. 金属纳米团簇复合薄膜是由纳米大小 的金属颗粒镶嵌在介质载体中形成的一种复合材 料. 由于微细金属颗粒的表面等离子体共振和局 域场增强效应, 使得这种薄膜表现出奇异的线性 和非线性光学效应 [ 1, 2] , 从 而成为一种颇 有吸引 力的光学功能材料. 研究表明, 不同性质的介质载 体和金属颗粒会使复合薄膜表现出不同的光学特
表 1 复 合薄膜吸收峰的理论值与实验值比较表 T ab. 1 Com parison betw een theo re tica l and experim ental
values of seve ra l com posite th in film s absorption
p eak s
nm
复合薄膜
2,
2
( 2)
这里 1 和 2 为金属颗粒介电常数 的实部和虚
收稿日期: 2007 05 20 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 ( 10704065); 山东省青年科学家奖励 基金资助项目 ( 2006BS01235) . 作者简介: 王艳敏 ( 1981 ), 女, 山东金乡人, 硕士研究生, 研究方向: 低维材料的制备及其非线性光学性质研究.
理论值
实验值
Au /BaT iO3 A g / BaT iO3
A u /S iO2 Co /ZnO
6 20
58 0[ 3 ]
5 12
450- 500[ 4]
5 25
540- 560[ 5]
4 00
420- 440[ 6]
第 1期
王艳敏, 等: 金属纳米颗粒复合薄膜的光吸收特性研究
17
3结 论
根据 M ie散射理论, 研究了镶嵌纳米金属颗 粒的复合薄膜的线性共振吸收特征. 结果表明, 金 属颗粒的介电常数和载体介质的折射率决定了复 合薄膜的共振吸收峰峰位. 理论计算结果与已报 道的实验结果基本吻合, 因此可以通过这种方法 预言目前实验还没有研究的金属纳米颗粒复合薄 膜体系的吸收峰位置.
中可以直 观 地看 出, 不 同的 掺 杂 金属 (不 同 的
( ) )和不同的载体介质 (不同的 nd ) 都会影响
吸收峰的位置.
2 计算与分析
金属的 ( )可以通过其折 射率 n ( )和消 光系数 k ( )计算得到, 即 ( ) = [ n ( ) + ik ( ) ] 2. 一般载体介质的折射率 n ( )可以通过 相关的光学手册查到. 目前, 金属纳米颗粒复合薄 膜的研究中, 金属颗粒一般选择贵金属 ( Au, A g, Cu), 而 载体介质 一般选 择透 明性好 的氧化 物. BaT iO3 是 一 种 优 良 的 铁 电、介 电 材 料, 而 且 BaT iO3薄膜在可见光波段有较好的透明性, 目前 以 BaT iO3 为介质载体的复合薄膜的光学性质研 究备受关注 [ 3, 4] , 在这里不妨以 Cu / BaT iO 3 为例, 根据文献 [ 10] 报道的 n ( )和 k ( ), 计算了 Cu 在不同波长下的介电常数, 得到 1 与 2 跟光波 长的关系如图 1所示.
峰应该出现在 = 620 nm 附近.
计算了 Co、T 、i A g、A u、N i的介电常数 1 与波 长的关系, 结果如图 2所示. 当在某种介质载体中
镶嵌这些金属的纳米颗粒形成复合薄膜, 只有满
足共振条件
1
+
2n
2 d
=
0时, 在其吸收谱中才有可
能观察到共振吸收峰, 否则就观察不到. 并且从图
V o.l 21 N o. 1 Jan. 2008
金属纳米颗粒复合薄膜的光吸收特性研究
王艳敏, 王 燕, 王伟田
(烟台大学 光电信息科学技术学院, 山东 烟台 264005)
摘 要: 根据 M ie散射理论, 研究了金属纳米颗粒镶嵌在载体介质中的复合薄膜的光吸
收特性, 计算得到 Cu的介电常数与波长的关系. 结果表明: 当金属介电常数的虚部 2 变
于量子尺寸效应, 使得颗粒的介电常数与体材料
不一样, d 是基质材料的介电常数, 通常认为其
在可见光范围内为常数.
根据电偶极子近似 ( electric dipo le approx im a
t ion) 和 M ie共振理论, 得到材料的光吸收特性 [ 9 ]
! = 18∀n3d
Fra Baidu bibliotek
(
p2 1 + 2n2d ) 2 +
参考文献:
[ 1] W ang W e i tian, Y ang Guang, Chen Zeng hao, et a.l La rge th ird o rder optica l non linear ity in A u nanome ter partic le doped BaT iO3 composite film s near the resonant frequency [ J] . Ch in Phys, 2002, 11: 1324- 1327. [ 2] 刘宁 宁, 孙甲 明. 非晶 S i/S iO 2 超晶 格的 制备 及其 光谱研究 [ J] . 物理学报, 2000, 49: 1019- 1022. [ 3] 王伟田, 杨光, 关东 仪, 等. 金属纳米 团簇复 合薄膜 A u /BaT iO3 与 F e /BaT iO3 的 PLD 制 备 及 其 光 吸 收 特 征 [ J] . 物理学报, 2004, 53: 932- 935. [ 4] 杨光, 陈正豪. 脉冲激 光沉积 A g: BaT iO3 纳 米复合 薄膜及其光学特性 [ J]. 物理学报, 2006, 55: 4342- 4346. [ 5] 张芸, 张波 萍, 焦力 实, 等. Au /S iO 2 纳米 复合 薄膜
第 21卷第 1期 2008年 1月
烟台大学学报 (自然科学与工程版 )
Journa l o f Y anta iU n ive rsity ( N atura l Sc ience and Eng ineering Ed ition)
文章编号: 1004 8820( 2008) 01 0015 03
征. 金属纳米复合薄膜的光吸收特性与所选的金 属材 料和 基 质 材 料 密 切 相关. 研 究 者 们 以 BaT iO3、ZnO、S iO2等为介质载体 制备了各种复合 薄膜 [ 3- 6] , 并且对它们的各种性质进行了深入地 研究. 在这里我们对镶嵌纳米金属颗粒的复合薄 膜的线性共振吸收特性更感兴趣, 薄膜的共振吸 收峰的位置不同会使薄膜呈现不同的颜色.
图 1 Cu的介电常数 1 和 2 与 波长的关系 F ig. 1 P erm ittiv ity o f Cu v s wave leng th
从图 1中可以看出, 2 随波长的变化很 小, 而 1 随波长的变化却非常明显, 只有这样, 公式 ( 2)在满足 1 + 2n2d = 0时, !的值才会达到最大, 从而出现金属自由电子的 表面等离子体 共振现 象. BaT iO 3 为介质载体, 取 nd = 2 3[ 11 ] , 共振吸收