一種三維光子晶體-等離激元模式增強熒光納米結構及其制備方法和應用技術

本發明專利技術公開了一種三維光子晶體?等離激元模式增強熒光納米結構及其制備方法和應用。所述三維光子晶體?等離激元模式增強熒光納米結構包括三維光子晶體和島狀納米金屬，島狀納米金屬分散在三維光子晶體最表層的球狀結構上方，島狀納米金屬顆粒的平均尺寸小于三維光子晶體最表層的球狀結構的平均尺寸。具體制備方法是首先利用垂直沉降法將單分散微球自組裝成三維光子晶體，然后對其表面進行疏水化處理，最后再沉積一層10～40納米厚的金屬層。本發明專利技術制備方法簡單，重復性強，適用于多種材料，尤其是低成本的賤金屬，制備得到的納米結構有顯著的熒光增強效果，可廣泛應用于熒光檢測、熒光成像、太陽能電池、發光器件等領域，具有推廣應用前景。

A three-dimensional photonic crystal plasmon modes of fluorescence enhancement of nano structure and preparation method and application thereof

The invention discloses a three-dimensional photonic crystal plasmon modes of fluorescence enhancement of nano structure and preparation method and application thereof. The three-dimensional photonic crystal plasmon enhanced fluorescence pattern nanostructures including three-dimensional photonic crystal and nano metal Island, the island of nano metal dispersion in the above spherical three-dimensional photonic crystals on the surface of the island, the average size of nano metal particles is less than the average size of spherical structure of 3D photonic crystals on the surface of the most. The preparation method is that the monodisperse microsphere is self-assembled into a three-dimensional photonic crystal by vertical deposition, and then the surface is hydrophobic treated, and finally a layer of 10~40 nanometer thick metal is deposited. The preparation method of the invention is simple, repeatable and suitable for various materials, especially the low cost of base metal nanostructures prepared have significant fluorescence enhancement effect, can be widely used in fluorescence detection, fluorescence imaging, solar cells, light emitting devices and other fields, has application prospect.

【技術實現步驟摘要】
一種三維光子晶體-等離激元模式增強熒光納米結構及其制備方法和應用
本專利技術屬于納米材料
更具體地，涉及一種基于三維光子晶體-等離激元模式增強熒光納米結構及其制備方法和應用。
技術介紹
熒光技術已被廣泛應用于發光二極管，單分子檢測，生物成像，傳感器等領域。提高熒光強度，對于熒光技術的應用意義重大。目前，增強熒光強度主要有三種途徑：納米金屬等離激元、光子晶體以及兩者的復合。目前對于光子晶體及等離激元模式的復合，主要停留在以二維光子晶體與等離激元之間，已經取得了豐碩的成果。在其中，一般以二維光子晶體表面的周期為模板，獲得金屬有序納米結構，從而調控納米金屬的等離共振吸收特性。納米金屬的等離共振吸收特性受到納米金屬的種類、尺寸、分布、形狀影響。而目前已有的復合體系，為了使納米金屬的等離共振吸收處于可見光范圍，以獲得更好的熒光增強效果，通常需要采用金、銀等貴金屬，局限了金屬種類的選擇，且制備成本較高。此外，部分制備等離激元結構方法如電子束刻蝕、光刻法、壓印技術、AAO模板等，還存在著儀器昂貴，操作繁瑣，重復性差等缺陷。
技術實現思路
本專利技術要解決的技術問題是克服現有等離激元制備技術的缺陷和技術不足，提供一種易于重復制備的等離共振特性連續可調、適用范圍廣、低成本實現高倍數熒光增強的三維光子晶體-等離激元模式納米結構。本專利技術的目的是提供一種三維光子晶體-等離激元模式增強熒光納米結構及其制備方法。本專利技術另一目的是所述三維光子晶體-等離激元模式增強熒光納米結構在增強熒光物質熒光強度方面的應用。本專利技術上述目的通過以下技術方案實現：一種三維光子晶體-等離激元模式增強熒光納米結構，包括三維光子晶體和島狀納米金屬；所述島狀納米金屬位于三維光子晶體的上表面，即島狀納米金屬分散在三維光子晶體最表層的球狀結構上方，島狀納米金屬顆粒的平均尺寸小于三維光子晶體最表層的球狀結構的平均尺寸（如圖1所示）。優選地，所述金屬為鋁、鎳、銅、金、銀、鉑中的一種或幾種的合金。另外，上述三維光子晶體-等離激元模式增強熒光納米結構的制備方法，包括如下步驟：S1.將單分散微球自組裝成三維光子晶體；所述微球為常規方法制備或直接購買的聚合物微球或無機物微球；S2.對三維光子晶體表面進行疏水化處理，得到疏水化三維光子晶體；S3.在疏水化三維光子晶體上沉積一層厚度為10～40納米的金屬層，最終獲得三維光子晶體上島狀納米金屬結構。上述制備得到的三維光子晶體和在其上制備的島狀納米金屬即為三維光子晶體-等離激元模式表面增強熒光基底。其中，優選地，步驟S3所述金屬為鋁、鎳、銅等賤金屬，金、銀、鉑等貴金屬或其合金。即優選地，所述步驟S3所述金屬層為納米鋁層、納米鎳層、納米銅層、納米金層、納米銀層、納米鉑層中的一種或幾種的組合。優選地，步驟S3所述金屬層的厚度為20納米。優選地，步驟S1所述聚合物微球為聚苯乙烯微球或聚甲基丙烯酸甲酯微球；所述無機物微球為二氧化硅微球、二氧化鈦微球、硫化鋅微球、硫化鎵微球或碳微球。更優選地，步驟S1所述單分散微球直徑為100～500納米。另外，優選地，步驟S1是利用垂直沉降法將二氧化硅微球制備得到三維光子晶體結構，具體方法為：S11.將玻璃片清洗干凈，干燥后，垂直插入單分散微球分散液中，在60～70℃和相對濕度60%～70%的環境中生長3～4天，獲得三維光子晶體；S12.獲得的三維光子晶體以90～100℃加熱退火1～2小時。更優選地，步驟S11所述玻璃片的洗滌流程采用文獻常用的方法，通過蒸餾水，乙醇，丙酮，98%H2S04:H2O2（3:1），H2O:NH3·H2O:H2O2（5:1:1），以及蒸餾水按照順序超聲洗滌；或者蒸餾水洗滌并干燥后，使用氧等離子體刻蝕5～20分鐘。優選地，步驟S11所述單分散微球分散液的質量分數為0.05～0.3%。優選地，步驟S11所述單分散微球分散液的質量分數為0.1%。優選地，步驟S2的具體方法為：S21.將步驟S1的三維光子晶體浸泡在含有5mMN-羥基琥珀酰亞胺、5mM1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亞胺鹽酸鹽為和2～3mM（3-氨丙基）三甲氧基硅烷的水溶液中，浸泡2～3小時；若所用微球為二氧化硅微球，則無須進行該操作，直接進行S22操作；S22.將步驟S21處理后的三維光子晶體置于真空干燥器中，加入全氟十烷基三氯硅烷，抽真空，用化學蒸汽沉積法反應2～3小時，得到疏水化三維光子晶體。優選地，所述全氟十烷基三氯硅烷的使用量按照如下比例計算：三維光子晶體和全氟十烷基三氯硅烷的質量比為8～12：1。更優選地，所述全氟十烷基三氯硅烷的使用量按照如下比例計算：三維光子晶體和全氟十烷基三氯硅烷的質量比為10：1。即10克三維光子晶體：1g全氟十烷基三氯硅烷。或者所述全氟十烷基三氯硅烷的使用量按照如下比例計算：1平方米三維光子晶體：1克全氟十烷基三氯硅烷。優選地，步驟S3的具體方法為：S31.利用蒸鍍法或磁控濺射法，將步驟S2的疏水化三維光子晶體上沉積一層10～40納米金屬層；S32.沉積金屬層后，在60～70℃中真空加熱2～3小時，獲得所述三維光子晶體-等離激元增強熒光納米結構。優選地，步驟S11所述單分散微球分散液為單分散微球在水或乙醇中的分散液，分散液中微球的質量分數為0.1%～1%。另外，根據上述方法制備得到的三維光子晶體-等離激元模式增強熒光納米結構，及其在增強熒光物質熒光強度中的應用，以及在制備太陽能電池或發光器件中的應用，均在本專利技術的保護范圍之內。具體地，本專利技術提供了一種可選擇的應用案例，方法如下：（1）在所述三維光子晶體-等離激元模式的增強熒光納米結構的島狀納米金屬上，滴涂隔離層溶液，干燥后形成一層隔離層；（2）在隔離層上滴涂一層所需濃度熒光物質溶液，干燥后形成熒光層；（3）放入FLS920型熒光測試儀，選擇所需波長為激發光源，進行熒光光譜測試。其中，優選地，步驟（1）所述隔離層為5~10納米厚的聚乙烯醇（PVA）。優選地，步驟（1）所述干燥的溫度為40~60℃。優選地，步驟（2）所述干燥的溫度為40~60℃。本專利技術的三維光子晶體-等離激元模式的增強熒光納米結構的完整性、均勻性都會明顯影響到熒光增強效果，而保證復合結構的完整性和均勻性的制備關鍵有以下幾個方面：三維光子晶體生長速度的調控、三維光子晶體生長結束后適當退火、三維光子晶體的適當疏水化、金屬沉積速度的調控、金屬沉積后適當退火。光子晶體生長速度控制不當或者生長后缺少適當的退火（尤其對于聚合物微球體系），會影響三維光子晶體的力學性能，造成光子晶體層附著不牢，容易脫落，影響其完整性和均一性；疏水化程度不足或過度，都會影響到島狀納米金屬的形貌及表面均一性，進而影響到本結構的等離共振吸收特性；沉積速度過快或不穩定同樣也會造成表面金屬分布不均勻；而金屬沉積后退火能完善島狀納米金屬的形貌。本專利技術通過大量的實驗探索，得出了上述三維光子晶體-等離激元模式的增強熒光納米結構的制備方法，方法操作簡單方便，無須貴重儀器，適合規模化制備，適用于多種材料，所用原材料容易獲得，如各種微球均可通過已有成熟工藝制備或直接購買，使用鋁、鎳、銅等成本低廉的金屬也能獲得理想的熒光增強效果。測試結果表明，該結構上島狀納米金屬的等離共振吸收特性僅與其下方的三維光子晶體的光子禁帶本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種三維光子晶體?等離激元模式增強熒光納米結構，其特征在于，包括三維光子晶體和島狀納米金屬；所述島狀納米金屬位于三維光子晶體的上表面，即島狀納米金屬分散在三維光子晶體最表層的球狀結構上方，島狀納米金屬顆粒的平均尺寸小于三維光子晶體最表層的球狀結構的平均尺寸。

【技術特征摘要】
1.一種三維光子晶體-等離激元模式增強熒光納米結構，其特征在于，包括三維光子晶體和島狀納米金屬；所述島狀納米金屬位于三維光子晶體的上表面，即島狀納米金屬分散在三維光子晶體最表層的球狀結構上方，島狀納米金屬顆粒的平均尺寸小于三維光子晶體最表層的球狀結構的平均尺寸。2.根據權利要求1所述的三維光子晶體-等離激元模式增強熒光納米結構，其特征在于，所述金屬為鋁、鎳、銅、金、銀、鉑中的一種或幾種。3.權利要求1所述三維光子晶體-等離激元模式增強熒光納米結構的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：S1.將單分散微球自組裝成三維光子晶體；所述微球為聚合物微球或無機物微球；S2.對三維光子晶體表面進行疏水化處理，得到疏水化三維光子晶體；S3.在疏水化三維光子晶體上沉積一層厚度為10～40納米的金屬層。4.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于，步驟S1所述聚合物微球為聚苯乙烯微球或聚甲基丙烯酸甲酯微球；所述無機物微球為二氧化硅微球、二氧化鈦微球、硫化鋅微球、硫化鎵微球或碳微球。5.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于，步驟S1的具體方法為：S11.將玻璃片清洗干凈，干燥后，垂直插入單分散微球分散液中，在60～70℃和相對濕度60%～70%的環境中生長3～4天，獲得三維光子晶體；S12.獲得的三維光子晶體以90～100...

【專利技術屬性】
技術研發人員：洪煒，陳國健，陳旭東，
申請(專利權)人：中山大學，
類型：發明
國別省市：廣東,44