[发明专利]金纳米阵列衬底及其与近红外量子剪裁发光材料的复合结构及制备方法

说明书

本发明提出一种金纳米阵列衬底及其与近红外量子剪裁发光材料的复合结构及制备方法，首先，设计了一种具有单模、窄线宽、高品质因子的表面晶格共振峰的金纳米阵列衬底，在此基础上，构筑阵列衬底与近红外量子剪裁发光材料的复合结构，利用高度局域化的表面晶格共振增强特定波长的三光子近红外量子剪裁发光。该发明的制备工艺简单、操作方便、成本较低，能够提供一种高效的太阳能电池光转换片，提高太阳能电池的光电转换效率，适宜推广。

技术领域

本发明属于稀土发光技术领域，尤其涉及一种金纳米阵列衬底及其与近红外量子剪裁发光材料的复合结构及制备方法。

背景技术

太阳能是一种绿色、无污染的能源。目前最常见的利用太阳能的设备是太阳能电池，它可以将光能转化为电能。虽然太阳能电池产业发展迅速，但太阳能电池效率仍然较低。太阳能电池转换效率低的主要原因是入射光子与太阳能电池带隙能量不匹配，能量低于太阳能电池的带隙能量的光子不能被吸收，而能量高于太阳能电池的带隙能量的光子则以热能的形式损耗，导致对太阳能的利用率非常低。

近红外量子剪裁材料能够吸收一个紫外可见光子，发射两个或更多的近红外光子。将近红外量子剪裁材料做成光转换片放置在太阳能电池上，可提高太阳能电池的光电转换效率。然而，由于稀土离子的能级跃迁光谱呈窄线状、谱线强度较低，与太阳光谱的匹配度较低，导致近红外量子剪裁材料发光效率较低，限制了其作为光转换片的应用前景。

表面晶格共振（Surface Lattice Resonance, SLRs）是指贵金属纳米阵列结构中纳米颗粒的局域表面等离激元共振与阵列的瑞利异常产生耦合产生，具有线宽窄、品质因子高、局域电场强、辐射损耗低等优点。将近红外量子剪裁材料与贵金属纳米阵列相结合，调控表面晶格共振峰与近红外量子剪裁特征波长匹配，使纳米阵列与近红外量子剪裁材料之间产生强耦合作用，实现表面晶格共振增强近红外量子剪裁发光。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是设计具有窄线宽、高品质因子的表面晶格共振峰的金纳米阵列衬底。

本发明所要解决的第二个技术问题是实现稀土掺杂纳米材料在金纳米阵列结构近场增强区域的可控组装，从而实现表面晶格共振对三光子近红外量子剪裁发光的增强。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的方案为：

1)通过时域有限差分法模拟在光场诱导下贵金属纳米阵列的光谱和光场，建立阵列结构参数（尺寸及间距等）与表面晶格共振的峰强、峰位、峰宽之间的内在联系。通过调节阵列的结构参数，调控表面晶格共振峰与三光子近红外量子剪裁发光波长匹配。

2)优选地，上述步骤1）中，在x和y方向引入周期性边界条件，在z轴方向采用吸收边界条件。

3)优选地，上述步骤1）中，激发波长设置为518~520 nm。

4)优选地，上述步骤1）中，金纳米阵列的直径为70~90 nm，高度为60~80 nm。

5)优选地，上述步骤1）中，金纳米阵列的x方向的周期P_x与y方向的周期P_y均为500~700 nm。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：

1)根据时域有限差分法对阵列衬底结构参数的模拟结果，利用电子束沉积、等离子体刻蚀、离子束刻蚀等工艺，结合聚苯乙烯微球自组装技术，制备具有单模、窄线宽、高品质因子的金纳米阵列。

2)在此基础上，将贵金属纳米阵列垂直浸入NaYF₄:Er纳米颗粒的环己烷溶液并加热，随着环己烷的缓慢挥发，NaYF₄:Er纳米颗粒在液体毛细力的作用下，在金纳米阵列表面自组装形成稳定的金纳米阵列-NaYF₄:Er纳米复合结构。