[发明专利]一种含有表面等离子体荧光增强的纳米复合结构的薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种含有表面等离子体荧光增强的金属纳米粒子/SiO₂/量子点纳米复合结构的薄膜及其制备方法。

背景技术

关于表面等离子体荧光增强效应的研究是最近十年兴起的新的研究领域，当电磁波在金属和电介质介面上沿一个方向平行地传播时，金属表面的自由电子在一定频率的外界电磁场作用下规则运动而产生表面等离子体共振，这种共振可极大地增强金属粒子周围的电磁场，这种表面局域电磁场的增强使靠近金属表面的量子点的激发效率提高，导致荧光增强效应的产生。该效应的产生强烈依赖于量子点和金属表面之间的距离，如果发光量子点与产生等离子体的金属表面直接接触，则会导致量子点荧光猝灭；如果两者之间的距离太大，则不显示任何相互作用，因此有效的距离是产生这种增强效应的关键，而这种有效距离则取决于材料的组成及性质。

发光的半导体量子点，由于其特有的光学、电学性质，其在生物、医药、以及各种光电转换装置方面显示出重要应用。发光半导体量子点具有宽的激发带、窄的发光谱，通过改变量子点的直径，用单一的激发波长可得到连续可调的从可见到近红外的发光，并且量子点显示出很好的光稳定性及高的抗光褪色性。伴随着研究的深入，高性能的单一光子源在量子编码系统方面显示出极为重要的应用价值，这种光子源要求具有高的发光效率和稳定性，而且无闪烁效应。单一光子源可以是一个有机发光分子，也可以是一个半导体量子点，但目前的实际状况是由于发光量子点和有机发光小分子自身性质的不足（如有机分子光稳定性差，量子点显示闪烁效应等），致使二者在此方面的应用受到限制，因此新的单一光子源的研发成为该研究领域的挑战。金属纳米晶和发光量子点形成的新型纳米复合结构可以提高量子点的荧光量子效率，消除闪烁效应，因此表面等离子体荧光增强效应为该领域的研究带来机遇。

发明内容

本发明为了克服上述不足，提供了一种含有表面等离子体荧光增强的纳米复合结构的薄膜，该薄膜中的纳米复合结构引起的表面等离子体荧光增强效应使得薄膜中量子点的荧光量子效率大幅度提高，并且其闪烁效应被消除。

本发明还提供了本纳米复合结构薄膜的制备方法，本方法制得的薄膜荧光量子效率好。

本发明是通过以下措施来实现的：

本方法的思路是将量子点分散在有机溶剂中，然后加入经过预水解的含氨基的硅烷试剂，使硅烷试剂与量子点表面的配体进行交换；然后通过不含功能化官能团的硅烷试剂的水解对金属纳米粒子进行SiO₂包覆；借助量子点表面含氨基的硅烷的水解，使得SiO₂包覆的金属纳米粒子与量子点相连接（在SiO₂包覆的金属纳米粒子表面形成一个量子点层），得到具有表面等离子体荧光增强效应的纳米复合结构薄膜。

本发明的具体技术方案为：

一种含有表面等离子体荧光增强的纳米复合结构的薄膜，其特征是：组分为质量比为1：0.7 ~ 14的带有氨基的SiO₂和具有纳米复合结构的复合纳米粒子；薄膜中两组分以简单的混合物形式存在。

上述带有氨基的SiO₂的化学式为SiO₃C_xNH_2x~2x+2，x = 1~3；

上述复合纳米粒子为金属纳米粒子/SiO₂/量子点复合纳米粒子，复合纳米粒子内核为金属纳米粒子，外层为量子点，所述金属纳米粒子和量子点之间通过SiO₂层连接，SiO₂层的厚度为4 ~ 30 nm，组分为Si_1-yO_2-y[SiO₃C_xNH_2x~2x+2]_y, x = 1~3，y = 0.05% ~1%。

上述复合纳米粒子中，金属纳米粒子内核：SiO₂层：量子点层的质量比为0.1 ~ 36：1 ~ 800：0.1 ~ 30。

上述薄膜厚度为5 ~ 20 μm。

本发明的含有表面等离子体荧光增强的纳米复合结构的薄膜的制备方法，其特征是至少包括以下步骤：

（1）含氨基的硅烷试剂的预水解：将含氨基的硅烷试剂、水与醇按1~ 30：0.3~ 5：10~ 100的体积比混合，搅拌使硅烷分子水解，然后在50~ 70℃下将醇挥发，得到溶液1；