纳米科学与技术-光学性质
纳米材料的光热性质研究
纳米材料的光热性质研究随着科学技术的不断发展，人们对材料的研究趋向于微观领域。
尤其是纳米材料的研究，成为当前热点之一。
纳米材料在光学、电子学、生物医学等领域都有重要的应用，其中光热性质研究成为近年来广泛关注的领域之一。
本文将对纳米材料光热性质的研究进行探讨。
一、光热效应基础光热效应指的是物质在光照下吸收光能，产生的能量传递到热能的过程。
物质吸收光能后，其内部的电子受到激发，进入激发态。
激发态的电子通过和晶格之间的相互作用导致晶体的温度上升，使其原子或分子内部的振动加强，从而导致热传导、放热等效应。
光热效应应用广泛，如食品烘干、医学治疗等。
二、纳米材料的光热性质纳米材料由于其特殊的尺寸效应和表面效应，展现出了独特的光热性质，这使得纳米材料在医学成像、癌症治疗、太阳能电池等领域具有广泛的应用前景。
2.1 表面等离子共振效应表面等离子共振效应是指纳米材料吸收光时，电磁场激发了表面等离子振动，将光能传递给物质内部，从而使物质体块发生热效应。
此外，表面等离子共振效应也可以引起纳米材料表面的电荷积累，改变表面反应性质等。
近年来研究者通过对各种材料的表面等离子共振效应的研究，推动了纳米材料应用的发展。
2.2 热梯度效应纳米材料在光照下会产生温度差异，这种温度差异导致了热梯度效应。
如在生物医学中，通过含金纳米粒子的治疗方式，将微波、激光等直接照射在肿瘤部位，从而引起金纳米粒子的光热效应，杀死周围肿瘤细胞。
这种方法具有杀灭肿瘤细胞效果好、副作用小等优点。
三、结语纳米材料的光热性质研究受到了广泛的应用和重视。
随着科学技术的发展，纳米材料在不同领域中的研究及应用不断深化，可以预见，纳米材料的光热性质研究会有更广阔的前景及更广泛的应用。
纳米材料的光学材料及其应用
纳米材料的光学材料及其应用纳米科技是当今科学技术领域发展最为迅速的一个领域，其不仅具有广泛的基础研究意义，而且应用价值也是不容忽视的。
纳米材料作为一种新型材料，其在光学材料领域中的应用具有广泛的发展前景。
本文就纳米材料在光学材料领域中的应用及其特性进行探讨。
一、纳米材料在光学领域中的应用纳米材料在光学领域中的应用涉及到三个方面，即光学传感器、光学储存材料和光学通信材料。
其中，光学传感器可以通过纳米材料对光信号进行增强或减弱，以实现对物质浓度、温度、湿度等参数的测量；光学储存材料通过纳米颗粒的表面等形貌与原位掺杂，将数据以更高的密度编码和存储；光学通信材料利用纳米材料的局域表面等离子体共振（LSPR）特性，可以实现高容量、高速率和高稳定性的数据传输。
二、纳米材料的光学特性纳米材料具有很多优异的光学特性，且这些特性与其材料、形态、尺寸等都有关系。
1. 表面等离子体共振（LSPR）表面等离子体共振是指光吸收、散射与绕射的一种共振，其能量可以集中在小的区域内。
纳米颗粒通过表面等离子体共振的作用，可以增强光场强度，改变材料的光孔径、波长和色散等性质，使得其在光学传感、光学储存和光传输等方面具有重要应用。
2. 局域表面等离子体共振（LSPR）局域表面等离子体共振与表面等离子体共振类似，但其只针对纳米颗粒表面的坑穴、凸起等形貌特征，而不是整个表面。
局域表面等离子体共振通过特定材料的尺寸和形态，可以产生和调控表面等离子体共振，从而实现对光学信号的增强或减弱。
3. 散射光谱（SERS）散射光谱是指当纳米颗粒暴露在激光束中时，与周围物质相互作用而散射所产生光信号的谱线。
散射光谱通过纳米颗粒与分子之间作用的放大和选择性，可以实现较低浓度物质的检测，具有应用于药物和环境领域的潜在能力。
三、纳米材料在光学材料领域中的应用实例1. 光学传感器通过利用纳米材料的LSPR特性，可以实现对环境参数的快速测量。
例如，在制药、食品、医疗和环境监测等领域，可以利用金、银、铜等纳米材料制造传感器，实现对生物、化学、物理环境参数的检测与诊断。
纳米材料概论复习要点
一、1、纳米科技：研究由尺寸在0.1—100nm之间的物质组成体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。
2、纳米固体材料：又可称为纳米结构材料或纳米材料，它是由颗粒或晶粒尺寸为1~100nm的粒子凝聚而成的三维块体。
3、量子尺寸效应：当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象，以及纳米半导体微粒存在比连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，这些能隙变宽现象。
4、表面效应：表面原子的活性不但引起纳米粒子表面原子的变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。
5、宏观量子隧道效应：某些宏观量如颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等具有贯穿势垒的能力，称为宏观量子隧道效应。
6、纳米材料（广义）：晶粒或晶界等显微构造能达到纳米尺寸水平的材料。
7、原子团簇：由多个原子组成的小粒子。
它们比无机分子大，但比具有平移对称性的块体材料小，它们的原子结构(键长、键角和对称性等)和电子结构不同于分子，也不同于块体。
8、Kubo理论：颗粒尺寸进入纳米级时，靠近费米面附近的能级由原来的准连续变为离散能级。
9、小尺寸效应：当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应。
10、纳米结构材料：由颗粒或晶粒尺寸为1~100nm的粒子形成的三维块体称为纳米固体（结构）材料。
其晶粒尺寸、晶界宽度、析出相分布、气孔尺寸和缺陷尺寸都在纳米数量级。
二、简答题1、冷冻干燥法制备纳米颗粒的基本原理。
先使干燥的溶液喷雾在冷冻剂中冷冻，然后在低温低压下真空干燥，将溶剂升华除去，再通过热处理得到所需的物质。
2、气相合成法制备纳米颗粒的主要过程有哪些？利用两种以上物质之间的气相化学反应，在高温下合成出相应的化合物，再经过快速冷凝，从而制备各类物质的纳米粒子。
纳米技术
摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。
2. 纳米技术的诞生与发展
CSTM——9000型扫描隧道显微镜
2. 纳米技术的诞生与发展
1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的
六分之一，强度却是钢的10成为纳米技术研究的热点。诺贝
尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维 的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米
4. 纳米材料及其特性
纳米材料（nano material） 纳米技术涉及的范围很广，纳米材料只是其中的一部分，
但它却是纳米技术发展的基础。纳米材料又称为超微颗粒材料，
由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在 1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，
从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微
此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，
打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。
2. 纳米技术的诞生与发展
2000年4月，美国能源部桑地亚国家实验室运用激光微细
加工技术研制出智能手术刀，该手术刀可以每秒扫描10万个
癌细胞，并将细胞所包含的蛋白质信息输入计算机进行分析 判断。
2001年纽约斯隆-凯特林癌症研究中心的戴维. 沙因贝格尔
观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型人介观系统，它具有 表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物
体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，
即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和 大块固体时相比将会有显著的不同。
4. 纳米材料及其特性
1nm=10-9m，即1毫微米，十亿分之一米，纳米微粒的尺 度一般定义为10-7—10-10m内（0.1—100nm）； 相当于人发直径的1/10万。 具有奇异的力学、光学、磁学、热学和化学等特性。当
纳米光学技术的基本原理和实验操作流程
纳米光学技术的基本原理和实验操作流程纳米光学技术是一种运用光学原理研究和操作纳米级尺度物质的科学技术。
它结合了纳米科学和光学技术的优势，可以对微观世界进行实时、非破坏性的观测和操控，为材料科学、生物医学、信息技术等领域的发展带来了新的机遇和挑战。
基本原理：纳米光学技术主要利用光的传播性质和与物质相互作用的特点，通过调控光的波长、强度和相位等参数，来实现对纳米级尺度物质的探测、成像和加工。
其中，主要包括以下几个基本原理：1. 表面等离子共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）：当光散射到金属纳米结构表面时，可以引发共振现象，即表面等离子共振。
利用这种现象，可以测量样品中等离子体积浓度、膜的厚度以及分子的亲和力等物理和化学信息。
2. 全息术（Holography）：通过利用光的干涉和衍射效应，将光的信息存储在照相底片或光敏材料上，形成全息图像。
利用全息术可以实现高分辨率的成像和三维重建，对纳米级尺度结构进行表征和研究。
3. 等离子体共振（Plasmon Resonance）：金属纳米颗粒具有独特的光学性质，当光与金属纳米颗粒相互作用时，可以产生等离子体共振现象。
例如，纳米金颗粒可以吸收和散射光，也可以通过改变光的频率或波长来调控等离子体共振的吸收和散射效应，从而实现纳米结构的探测和成像。
实验操作流程：进行纳米光学实验需要以下步骤和条件：1. 准备样品：根据实验目的选择和准备相应的纳米级尺度样品，可以是金属纳米颗粒、纳米材料薄膜或纳米生物分子等。
2. 光源选择：根据实验需求选择合适的光源。
常用的光源有氙灯、激光器和白炉等，其中激光器是常用的高亮度、高直流和单色性光源。
3. 光学系统搭建：根据实验需要搭建好合适的光学系统，包括光路调整、光学元件选择和安装等。
光学系统可以由准直器、物镜、滤光片、调制器等组成。
4. 数据采集与分析：根据实验设计选择合适的数据采集设备，例如像素均衡相机或光谱仪。
第1讲-纳米光学介绍
1.关于此课程
考核内容: 课后作业 研究2-3篇近期发表的关于纳米光学的文章，写一篇科研报告
（影响因子>3.0，不少于2000字，截止日期2014.3.10前） 期末考试 如果有问题，你可以… … 发邮件 打电话 答疑时间访问我的办公室
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2013/12/16
2. 纳米光学介绍
2.1 信息时代的光子学 2.2 什么是纳米光学? 2.3 为什么研究纳米光学? 2.4 此课程中你将学到纳米光学的什么内容？ 2.5 纳米光学实例 2.6纳米光学应用
人类历史的主要进步往往都与物质有关
人们认识到如何利用自然界物质 现在科学家可以设计出具有新功能的纳米结构材料。
现代科技
石器时代
青铜时代
?
超材料?
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铁器时代
硅时代
(信息时代) BronzeAge:青铜时代，metamaterials: 超材料
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2013/12/16
是否可以设计出具有新的光学性质的纳米材料？ 是的! (否则我们也不可能学习这门课了^_^) 当结构达到光波长或更小的尺寸时，神奇的事情将要发生。 这门课中, 我们将学习这些事情是什么，又是怎样发生的。 为什么一定是纳米? 有什么实际意义?
是通过自然或人工纳米材料的物理、化学或结构性质来调控的。
举例: 纳米金颗粒&哥特式彩色玻璃的颜色 原因: 金属纳米颗粒的表面等离子体谐振
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colloid:凝胶，Gothic stained glass: 哥特式彩色玻璃，surface plasmon resonance: 表面等离子体共振
2.3 为什么研究纳米光学?
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2013/12/16
当宏观物体减小到纳 米尺度时，由于出现明显
纳米科学和技术的前沿和发展趋势
纳米科学和技术的前沿和发展趋势纳米科学和技术是近年来最受关注的一个领域，因其极小尺度的研究对象和应用前景，不同于传统科技领域，被誉为“21世纪的革命性科技”。
它以纳米米（一个亿分之一米）为尺度，利用纳米颗粒、纳米结构和纳米装置等纳米材料开发出全新的产品、技术和应用，涉及硅电子、医药卫生、能源环保、材料科学和仿生学等各个领域，且不断拓展新的研究领域。
本文将从纳米材料、纳米生物技术和纳米电子三个方面探讨纳米科学和技术的前沿和发展趋势。
一、纳米材料纳米材料是纳米科技的基础。
它不仅有着普通材料所没有的新性质，如量子效应、磁性、光学性质等，还能制造出高强度、高韧性、高导电性、高导热性、高化学活性和高反应活性等特性，极大地增强了材料的性能。
近年来，石墨烯、碳纳米管等纳米材料因其独具优势的性质及广泛的前景，成为纳米材料中的热点材料。
石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维结构材料，拥有极高的电子流动性和机械强度，可应用于柔性电子、纳米电子器件、光学、催化等领域。
由于石墨烯的多功能性，学术界正在探索石墨烯在新能源开发领域的应用，如锂离子电池、超级电容器、电解水制氢等。
碳纳米管是一种纳米级管状结构的碳材料，具有较高的机械强度、导电性和导热性，而其宽窄、表面修饰、打孔等结构特点也影响其物性和应用。
目前，碳纳米管已有了很多的应用领域，包括电池、传感器制假、生物传感等等。
二、纳米生物技术纳米生物技术是一种交叉学科，将纳米科学和技术与生物学相结合，可以制备新型的生物材料、探测技术、生物医药与诊断工具，不仅可以用于治疗疾病、提高药物作用效果，还可以开发更高效、高安全的药物，可望为医学治疗带来突破性进展。
纳米生物材料是拥有纳米级尺寸的生物材料，可利用其特殊的生物学、物理学和化学性质，制备出一般生物材料所无法比拟的新型生物学材料。
纳米生物材料主要包括纳米结构复合材料、纳米尺度半导体器件、生物传感器、纳米医药等领域。
生物传感器是一种对特定生物信号进行探测和检测的机器，以研究和分析生物体内发生的生物学现象。
Au纳米颗粒光学特性及粒径浓度消光法测量
Au纳米颗粒光学特性及粒径浓度消光法测量Au纳米颗粒光学特性及粒径浓度消光法测量随着纳米科技的发展，金纳米颗粒(Au nanoparticles)因其独特的光学特性在材料科学和生物医学领域引起了广泛的关注。
金纳米颗粒具有尺寸可调控性和界面效应特点，使其在光学传感、光催化和光电器件等方面具有巨大应用潜力。
本文将从Au纳米颗粒的光学特性以及测量其粒径和浓度的消光法入手，探讨其在纳米科学与技术领域的应用前景。
首先，我们来介绍Au纳米颗粒的光学特性。
金具有特殊的等离激元共振现象，当光照射到Au纳米颗粒上时，其表面自由电子与光子相互作用，引发表面等离激元共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)。
这种共振现象使得金纳米颗粒表现出强烈的吸收和散射光现象，在可见光域具有强烈的黄色至红色光谱特性。
此外，Au纳米颗粒的载流子和光功率因子也会因尺寸和形状的改变而发生变化，进一步影响它们的光学行为。
纳米颗粒的粒径和浓度是其光学性质的重要参数，因此准确地测量Au纳米颗粒的粒径和浓度具有重要意义。
其中，消光法是一种常用的测量方法。
消光法基于Au纳米颗粒与光的相互作用，通过测量光的吸收或散射现象来确定颗粒的浓度和粒径。
测量Au纳米颗粒浓度的消光法可以通过比色法、散射光谱法和等离激元共振传感器等方法来实现。
比色法利用颗粒的吸收现象，通过测量溶液的吸光度来推算出颗粒的浓度。
散射光谱法则是通过测量散射光的强度和角度分布来推断颗粒的浓度。
等离激元共振传感器则利用共振波长的变化来测量粒子浓度的变化。
而测量Au纳米颗粒的粒径可采用动态光散射法(Dynamic Light Scattering, DLS)和透射电子显微镜(Transmission Electron Microscopy, TEM)等方法。
DLS是一种常用的测量纳米颗粒粒径的非侵入性技术，通过测量颗粒悬浮液中光的散射强度来推测颗粒的尺寸分布。
而TEM则可以直接观察颗粒的形貌、尺寸和结构，并通过图像处理软件测量颗粒的尺寸。
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• The Bohr radius determines the type of confinement
– 3-10 time Bohr radius: Weak Confinement
• ΔE ~ 1/M* • M* effective mass of exciton
– Smaller than 3 Bohr radius: Strong Confinement
Inter-band absorption in indirect gap semiconductors
Direct transitions possible for Δk≈0 ⇒ strong direct interband absorption occurs at E > Egap
Egap
Indirect-gap semiconductor: highest occupied and lowest unoccupied state have Δk≠0
(Photon: long wavelength compared to atomic spacing ⇒ kphot « π/a )
k
Direct-gap semiconductor: highest occupied and lowest unoccupied state occur at k=0
Fluorescent minerals - Wikipedia
Optical transitions in a molecule
紫外可见吸收光谱和荧光光谱
Franck-Condon 效应 Stokes shift
半导体纳米颗粒的UV-Vis和PL
半导体材料的应用1
hv
半导体材料的应用2
Egap
Other possibility: momentum and energy can be conserved by photon absorption and simultaneous absorption or emission of a phonon: Indirect transitions possible with ‘assistance of a phonon’
Quantum size effect:
wannier exciton
硒化镉(CdSe)纳米晶体
L. E. Brus, ``Electron-electron and Electron-Hole Interactions in Small Semiconductor Crystallites: The Size Dependence of the Lowest Excited Electronic State,’’ J. Chem. Phys. 80, 4403 (1984).
能带中电子-空穴的库仑相互作用
室温下 kT=25meV
激子波尔半径 - Exciton Bohr radius
• Material dependent parameter
– The same size dot of different materials may not both be quantum dots
多孔硅、纳米硅材料：光电集成
Why use Nanocrystals?
Tunablebandgap
Why use Nanocrystals?
carriermultifi.Klimov,PRL92,186601
Laser - light amplification by stimulated emission of
ωp
+
-
+
Plasmons confined to surfaces that can interact with light to form propagating “surface plasmon polaritons (SPP) (表 面等离子体激元) ” Confinement effects result in resonant SPP modes in nanoparticles drude
Nanowire Fabry–Perot optical cavities
Optically pumped CdS nanowire laser
Lieber Group, Single-nanowire electrically driven lasers, NATURE, 421, 16, 2003
Klimov et al., “Single-exciton optical gain in semiconductor nanocrystals”, Nature, Vol. 447, 441 (2007)
Optical amplification in single NCs
QD在发光器件和光电器件中的应用
QD LED
DSSC
What is a plasmon?
“plasma-oscillation”: density fluctuation of free electrons
+
+ +
•
-
k
•
Plasmons in the bulk oscillate at ωp determined by the free electron density and effective mass drude
单根纳米线的电致激光发射
单根纳米线的电致激光发射
Nanolaser:
Single photon light source Nanolithography Cell surgery Nanoscale optoelectronics
The concept：single-exciton nanocrystal lasing
particle can be considered as a dipole: in a metal cluster placed in an electric field, the negative charges are displaced from the positive ones
Source:NanoscaleMaterialsinChemistry,Wiley, 2001
单个纳米颗粒荧光的闪烁行为
• single nanocrystal luminescence - blinking
晶体中的电子能级结构 Electronic band structure: energy & momentum
• ΔE ~ 1/μ* • μ* effective mass of hole and electron
激子波尔半径 - Exciton Bohr radius
表面效应: luminescence quantum yields
Surface passivation Core-Shell structure
radiation
布局数反转 - population inversion
激光器的种类和工作波长
Solid state laser
纳米线/点激光
Fabry–Perot optical cavities in a ZnO nanowire
Yang, PD group, Room-Temperature Ultraviolet Nanowire Nanolasers, Science 292, 1897 (2001)
非直接带隙半导体 (indirect band-gap)
Electronic band structure: Silicon
直接带隙半导体 (direct band-gap)
Inter-band absorption in direct gap semiconductors
E Light can induce electronic transitions if energy and momentum are conserved: Efinal – Einitial = Ephot and Δk = hk phot ≈ 0
Ne 2 = mε 0
•
ω particle
1 Ne 2 = 3 mε 0
Surface plasmon resonance （表面等离子体共振）
When a nanoparticle is much smaller than the wave length of light, coherent oscillation of the conduction band electrons induced by interaction with an electromagnetic field. This resonance is called Surface Plasmon Resonance (SPR).
Direct gap semiconductors Photons with E < Egap have insufficient energy to ‘kick a valence electron into a conduction state’ ⇒ absorption starts at Ephot = Egap These band-band absorptions have the usual implications for n and κ (recall Kramers-Kronig relations)
Figure: Schematic of plasmon oscillation for a sphere, showing the displacement of the conduction electron charge cloud relative to the nuclei.
Sphere in a uniform static electric field