[发明专利]一种单根一维纳米材料光致荧光角度分辨测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及一维纳米材料的光致荧光，特别涉及一种将一维纳米材料光致荧光的光激发和光接收独立分开的纳米材料光学性质表征技术，该技术可实现单根一维纳米材料光致荧光(PL)的角度分辨测量，由此研究改变光激发入射角度对单根一维纳米材料光致荧光(PL)的影响。本发明属于纳米材料光学表征技术领域。

背景技术

纳米发光材料是近年来发展十分迅速的研究领域之一。由于纳米发光材料具有尺度小、比表面积大的特点，纳米发光材料具有许多独特的物理性质，例如尺寸效应、量子限域效应、和丰富的表面态对材料光电性能的影响等。这些纳米材料所特有的性质使得纳米发光材料在未来具有广阔的应用前景。例如纳米激光器(nanolaser)、纳米发光二极光(nanoLED)、纳米场发射显示器(nano FED)等。这些都是电致发光技术在光电子器件领域内的应用。目前学术界主要的研究领域是：利用某些纳米材料特殊性质研制出电致发光器件。而对于光在纳米材料内的传播以及光和纳米材料的相互作用尚缺乏系统研究，尤其是对某些纳米材料的光波导性质的物理机制缺乏深入的研究。光致荧光是一种十分常见且有效的纳米材料表征技术。通常利用显微荧光-拉曼系统对单一纳米结构的光致荧光进行测量。由于光致发光和电致发光的产生机理相似，而且光致发光具有对样品的损耗小、激发效率高、测量仪器结构简单等优点。因此，可以利用光致发光的方法研究光在纳米材料中的传播以及与纳米材料的相互作用。

近些年来随着一维纳米材料制备水平的不断提高，一维纳米光波导材料逐渐成为纳米科学技术领域的研究热点[D.J.Sirbuly，M.Law，H.Yan，and P.Yang，J.Phys.Chem.B.2005，109，15190]。这些直径为纳米级的表面光滑的纳米棒可以在亚波长尺度下对光进行传导和操纵。但是纳米材料的光波导性质与传统宏观材料的光波导性质有所不同。纳米材料的特质尺度与光波波长近似，因此光在纳米材料中的传播不遵循在原有体材料内的反射、折射定律，而是以电磁波的形式传播。同时光与纳米材料相互作用，使得光在纳米材料内部传播过程中有能量的得失。因此纳米材料光波导性质一方面具有体材料光波导传导光的特点，另一方面又具有由于光与纳米材料相互作用而导致的光波长的改变。由于纳米材料光波导具有体材料没有的一些性质，使得纳米材料的光波导性质成为纳米材料光学表征领域的研究热点之一。此外，纳米材料的光波导性质也具有广泛的应用前景。与当代微电子器件相类似，纳米导线的尺度决定了纳电子器件的集成度。目前纳米光电子器件也在向着小型化和集成化方向发展，因此纳米光波导材料的研究就成为纳米光电子器件小型化、集成化的关键。

近些年来随着对研究的逐步深入，研究人员发现一维纳米材料光波导发光具有各向异性[R.Agarwal，C.J.Barrelet，and C.M.Lieber，Nano Lett.2005，5，917]。通过对纳米材料发光的各向异性的研究，可以了解光致荧光的产生机理和光在纳米材料中的传播机理。而目前学术界对于光在纳米材料中传播的机理尚不清楚[W.L.Li，M.Gao，R.Cheng，X.X.Zhang，S.S.Xie，L.-M.Peng，Appl.Phys.Lett.2008，93，023117.]，因此对于一维纳米材料光波导发光各向异性的研究就显得十分重要。纳米材料光致荧光的角度分辨测量是研究一维纳米材料光波导发光各向异性的最有效的手段之一。目前对于纳米材料发光的角度分辨测量主要有以下两种方法：第一种是近场光学的方法，利用SNOM和扫描电子显微镜实现角度分辨测量；另一种是传统宏观光致荧光角度分辨测量系统，它利用光学方法远场收集，进而实现角度分辨测量。

常规的光学仪器如凸透镜等主要用于远场探测。相对于远场，近场的定义为距离物体表面仅一个光波波长的区域。近场具有许多与远场不同的特性。近场的场分布既包含了可以向远处传播的传播场的分量，又包含了局域在物体表面一个波长内的非辐射场的分量。非辐射场中包含了物体表面精细结构的信息，其特点是高度依附于物体表面，并随离开表面的距离呈指数衰减，因而也被称为隐失场。近场角度分辨测量的核心问题就是探测束缚在物体表面的非辐射场的角度分布。由于非辐射场具有隐失波的特点，唯一的探测办法是利用光学隧道效应，即将一个微小的探头引入非辐射场中，从而把局限在物体表面的信息转换出来。而对于一维纳米材料的光学表征，我们主要关心的是可以向远处传播的传播场的角度分辨信息。因此，本发明基于传统荧光角度分辨测量系统，通过对其进行改进从而实现了对单根一维纳米材料光致荧光的角度分辨测量。