一种三维光子晶体-等离激元模式增强荧光纳米结构及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种三维光子晶体‑等离激元模式增强荧光纳米结构及其制备方法和应用。所述三维光子晶体‑等离激元模式增强荧光纳米结构包括三维光子晶体和岛状纳米金属，岛状纳米金属分散在三维光子晶体最表层的球状结构上方，岛状纳米金属颗粒的平均尺寸小于三维光子晶体最表层的球状结构的平均尺寸。具体制备方法是首先利用垂直沉降法将单分散微球自组装成三维光子晶体，然后对其表面进行疏水化处理，最后再沉积一层10～40纳米厚的金属层。本发明专利技术制备方法简单，重复性强，适用于多种材料，尤其是低成本的贱金属，制备得到的纳米结构有显著的荧光增强效果，可广泛应用于荧光检测、荧光成像、太阳能电池、发光器件等领域，具有推广应用前景。

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.

【技术实现步骤摘要】
一种三维光子晶体-等离激元模式增强荧光纳米结构及其制备方法和应用
本专利技术属于纳米材料
更具体地，涉及一种基于三维光子晶体-等离激元模式增强荧光纳米结构及其制备方法和应用。
技术介绍
荧光技术已被广泛应用于发光二极管，单分子检测，生物成像，传感器等领域。提高荧光强度，对于荧光技术的应用意义重大。目前，增强荧光强度主要有三种途径：纳米金属等离激元、光子晶体以及两者的复合。目前对于光子晶体及等离激元模式的复合，主要停留在以二维光子晶体与等离激元之间，已经取得了丰硕的成果。在其中，一般以二维光子晶体表面的周期为模板，获得金属有序纳米结构，从而调控纳米金属的等离共振吸收特性。纳米金属的等离共振吸收特性受到纳米金属的种类、尺寸、分布、形状影响。而目前已有的复合体系，为了使纳米金属的等离共振吸收处于可见光范围，以获得更好的荧光增强效果，通常需要采用金、银等贵金属，局限了金属种类的选择，且制备成本较高。此外，部分制备等离激元结构方法如电子束刻蚀、光刻法、压印技术、AAO模板等，还存在着仪器昂贵，操作繁琐，重复性差等缺陷。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有等离激元制备技术的缺陷和技术不足，提供一种易于重复制备的等离共振特性连续可调、适用范围广、低成本实现高倍数荧光增强的三维光子晶体-等离激元模式纳米结构。本专利技术的目的是提供一种三维光子晶体-等离激元模式增强荧光纳米结构及其制备方法。本专利技术另一目的是所述三维光子晶体-等离激元模式增强荧光纳米结构在增强荧光物质荧光强度方面的应用。本专利技术上述目的通过以下技术方案实现：一种三维光子晶体-等离激元模式增强荧光纳米结构，包括三维光子晶体和岛状纳米金属；所述岛状纳米金属位于三维光子晶体的上表面，即岛状纳米金属分散在三维光子晶体最表层的球状结构上方，岛状纳米金属颗粒的平均尺寸小于三维光子晶体最表层的球状结构的平均尺寸（如图1所示）。优选地，所述金属为铝、镍、铜、金、银、铂中的一种或几种的合金。另外，上述三维光子晶体-等离激元模式增强荧光纳米结构的制备方法，包括如下步骤：S1.将单分散微球自组装成三维光子晶体；所述微球为常规方法制备或直接购买的聚合物微球或无机物微球；S2.对三维光子晶体表面进行疏水化处理，得到疏水化三维光子晶体；S3.在疏水化三维光子晶体上沉积一层厚度为10～40纳米的金属层，最终获得三维光子晶体上岛状纳米金属结构。上述制备得到的三维光子晶体和在其上制备的岛状纳米金属即为三维光子晶体-等离激元模式表面增强荧光基底。其中，优选地，步骤S3所述金属为铝、镍、铜等贱金属，金、银、铂等贵金属或其合金。即优选地，所述步骤S3所述金属层为纳米铝层、纳米镍层、纳米铜层、纳米金层、纳米银层、纳米铂层中的一种或几种的组合。优选地，步骤S3所述金属层的厚度为20纳米。优选地，步骤S1所述聚合物微球为聚苯乙烯微球或聚甲基丙烯酸甲酯微球；所述无机物微球为二氧化硅微球、二氧化钛微球、硫化锌微球、硫化镓微球或碳微球。更优选地，步骤S1所述单分散微球直径为100～500纳米。另外，优选地，步骤S1是利用垂直沉降法将二氧化硅微球制备得到三维光子晶体结构，具体方法为：S11.将玻璃片清洗干净，干燥后，垂直插入单分散微球分散液中，在60～70℃和相对湿度60%～70%的环境中生长3～4天，获得三维光子晶体；S12.获得的三维光子晶体以90～100℃加热退火1～2小时。更优选地，步骤S11所述玻璃片的洗涤流程采用文献常用的方法，通过蒸馏水，乙醇，丙酮，98%H2S04:H2O2（3:1），H2O:NH3·H2O:H2O2（5:1:1），以及蒸馏水按照顺序超声洗涤；或者蒸馏水洗涤并干燥后，使用氧等离子体刻蚀5～20分钟。优选地，步骤S11所述单分散微球分散液的质量分数为0.05～0.3%。优选地，步骤S11所述单分散微球分散液的质量分数为0.1%。优选地，步骤S2的具体方法为：S21.将步骤S1的三维光子晶体浸泡在含有5mMN-羟基琥珀酰亚胺、5mM1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐为和2～3mM（3-氨丙基）三甲氧基硅烷的水溶液中，浸泡2～3小时；若所用微球为二氧化硅微球，则无须进行该操作，直接进行S22操作；S22.将步骤S21处理后的三维光子晶体置于真空干燥器中，加入全氟十烷基三氯硅烷，抽真空，用化学蒸汽沉积法反应2～3小时，得到疏水化三维光子晶体。优选地，所述全氟十烷基三氯硅烷的使用量按照如下比例计算：三维光子晶体和全氟十烷基三氯硅烷的质量比为8～12：1。更优选地，所述全氟十烷基三氯硅烷的使用量按照如下比例计算：三维光子晶体和全氟十烷基三氯硅烷的质量比为10：1。即10克三维光子晶体：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计算：1平方米三维光子晶体：1克全氟十烷基三氯硅烷。优选地，步骤S3的具体方法为：S31.利用蒸镀法或磁控溅射法，将步骤S2的疏水化三维光子晶体上沉积一层10～40纳米金属层；S32.沉积金属层后，在60～70℃中真空加热2～3小时，获得所述三维光子晶体-等离激元增强荧光纳米结构。优选地，步骤S11所述单分散微球分散液为单分散微球在水或乙醇中的分散液，分散液中微球的质量分数为0.1%～1%。另外，根据上述方法制备得到的三维光子晶体-等离激元模式增强荧光纳米结构，及其在增强荧光物质荧光强度中的应用，以及在制备太阳能电池或发光器件中的应用，均在本专利技术的保护范围之内。具体地，本专利技术提供了一种可选择的应用案例，方法如下：（1）在所述三维光子晶体-等离激元模式的增强荧光纳米结构的岛状纳米金属上，滴涂隔离层溶液，干燥后形成一层隔离层；（2）在隔离层上滴涂一层所需浓度荧光物质溶液，干燥后形成荧光层；（3）放入FLS920型荧光测试仪，选择所需波长为激发光源，进行荧光光谱测试。其中，优选地，步骤（1）所述隔离层为5~10纳米厚的聚乙烯醇（PVA）。优选地，步骤（1）所述干燥的温度为40~60℃。优选地，步骤（2）所述干燥的温度为40~60℃。本专利技术的三维光子晶体-等离激元模式的增强荧光纳米结构的完整性、均匀性都会明显影响到荧光增强效果，而保证复合结构的完整性和均匀性的制备关键有以下几个方面：三维光子晶体生长速度的调控、三维光子晶体生长结束后适当退火、三维光子晶体的适当疏水化、金属沉积速度的调控、金属沉积后适当退火。光子晶体生长速度控制不当或者生长后缺少适当的退火（尤其对于聚合物微球体系），会影响三维光子晶体的力学性能，造成光子晶体层附着不牢，容易脱落，影响其完整性和均一性；疏水化程度不足或过度，都会影响到岛状纳米金属的形貌及表面均一性，进而影响到本结构的等离共振吸收特性；沉积速度过快或不稳定同样也会造成表面金属分布不均匀；而金属沉积后退火能完善岛状纳米金属的形貌。本专利技术通过大量的实验探索，得出了上述三维光子晶体-等离激元模式的增强荧光纳米结构的制备方法，方法操作简单方便，无须贵重仪器，适合规模化制备，适用于多种材料，所用原材料容易获得，如各种微球均可通过已有成熟工艺制备或直接购买，使用铝、镍、铜等成本低廉的金属也能获得理想的荧光增强效果。测试结果表明，该结构上岛状纳米金属的等离共振吸收特性仅与其下方的三维光子晶体的光子禁带本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维光子晶体‑等离激元模式增强荧光纳米结构，其特征在于，包括三维光子晶体和岛状纳米金属；所述岛状纳米金属位于三维光子晶体的上表面，即岛状纳米金属分散在三维光子晶体最表层的球状结构上方，岛状纳米金属颗粒的平均尺寸小于三维光子晶体最表层的球状结构的平均尺寸。

【技术特征摘要】
1.一种三维光子晶体-等离激元模式增强荧光纳米结构，其特征在于，包括三维光子晶体和岛状纳米金属；所述岛状纳米金属位于三维光子晶体的上表面，即岛状纳米金属分散在三维光子晶体最表层的球状结构上方，岛状纳米金属颗粒的平均尺寸小于三维光子晶体最表层的球状结构的平均尺寸。2.根据权利要求1所述的三维光子晶体-等离激元模式增强荧光纳米结构，其特征在于，所述金属为铝、镍、铜、金、银、铂中的一种或几种。3.权利要求1所述三维光子晶体-等离激元模式增强荧光纳米结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.将单分散微球自组装成三维光子晶体；所述微球为聚合物微球或无机物微球；S2.对三维光子晶体表面进行疏水化处理，得到疏水化三维光子晶体；S3.在疏水化三维光子晶体上沉积一层厚度为10～40纳米的金属层。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S1所述聚合物微球为聚苯乙烯微球或聚甲基丙烯酸甲酯微球；所述无机物微球为二氧化硅微球、二氧化钛微球、硫化锌微球、硫化镓微球或碳微球。5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S1的具体方法为：S11.将玻璃片清洗干净，干燥后，垂直插入单分散微球分散液中，在60～70℃和相对湿度60%～70%的环境中生长3～4天，获得三维光子晶体；S12.获得的三维光子晶体以90～100...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪炜，陈国健，陈旭东，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44