题目：多形貌纳米结构金属衬底的表面增强荧光效应研究

在外光场激发下，具有纳米结构的金属衬底通过产生的表面等离激元改变金属衬底附近的局域电磁场分布，实现在纳米尺度上对光电相互作用以及光子态的调控，从而引起了研究者的极大兴趣和广泛关注。控制金属纳米结构的尺寸、材料和形状，能够对衬底表面区域的荧光分子（发光中心）的光学效应进行调制。因此，基于表面等离激元的金属增强衬底探索及表面增强荧光效应已经成为倍受关注的研究领域。
本论文在对表面等离激元增强荧光的研究进展进行回顾的基础上，以提高荧光增强效应为目标，通过电化学方法、自组装方法及物理抛光等方法制备了多种纳米结构金属衬底；应用激光光谱学技术，研究了增强衬底的形貌、维数及荧光分子与衬底之间隔离层对表面增强荧光效应的影响规律；借助FDTD数值计算方法，探讨了局域电磁场增强效应在增强荧光中的作用。研究表明：通过制备具有合适形貌、多维分布的金属纳米结构可增加表面附近局域场的增强效果和分布范围、加强分子-表面-光的耦合效应，从而进一步提高荧光探测强度。本论文研究工作有助于揭示在以纳米结构金属衬底的增强体系中光子、等离激元与荧光分子之间的耦合与转换机理，发展低成本、易制作、高灵敏度的表面增强衬底，为推动表面增强效应在生物传感、荧光成像、微量元素的检测等方面应用提供依据。本论文主要工作及结论如下：
1. 研究了具有分形形貌的银纳米结构衬底的表面增强荧光效应。实验上通过电化学沉积的方法，制备出具有分形结构形貌的二维银纳米衬底；再利用自组装方法，在所制备的分形结构衬底上沉积银纳米颗粒，制备出具有银纳米颗粒修饰的分形银纳米衬底。研究表明，经过纳米颗粒修饰后的分形结构衬底为三维空间分布体系，与二维分布的单纯银分形结构衬底相比，在外场激发下，能够产生更多的高强度局域场分布，有利于激发更多的荧光分子，从而表现出更好的荧光增强效应。
2. 研究了具有枝状形貌的银纳米结构衬底对表面增强荧光效应的影响。实验上利用置换还原方法，在铜、铝衬底表面制备具有枝状形貌的银纳米结构衬底。研究表明，通过置换还原方法，所制备衬底的微观形貌与反应溶液的浓度、反应时间等因素密切相关。在适当反应条件下，置换还原出的银原子经自扩散集聚形成的枝状结构，具有明显的荧光增强效应。根据局域场电磁增强理论可知，在外场激发下，银枝状结构所具有的“尖端”及“天线”效应，对于获得高增强的局域场分布有积极贡献，有助于提高分子的荧光辐射强度。
3. 研究了纳米结构金属衬底的维数对表面增强荧光效应的影响。实验上利用自组装方法，通过对银纳米颗粒和玻璃衬底的表面修饰，分别制备出具有二维、三维分布的银纳米结构衬底。研究表明，三维纳米结构金属衬底比二维衬底具有更好的增强效果，说明衬底的维数在增强荧光效应中的积极作用。根据局域场增强理论模型及FDTD数值计算结果可知，随着纳米结构的维数增加，局域场强度也随之增加，衬底中形成了更多的“热点”分布，对获得更高的荧光辐射起到了积极作用。
4. 研究了金属衬底表面形成的自然氧化层对表面增强荧光效应的影响。实验上通过物理抛光方法，制备出表面为纳米尺寸分布的金属衬底。光谱表征结果表明，当金属铜衬底表面没有氧化层形成时，对沉积在其表面的分子的荧光辐射起猝灭效应；而当氧化层形成时，荧光增强效应明显，且与氧化时间有关。根据局域场电磁增强理论和无辐射能量转移模型，对上述现象进行了解释，为更好理解金属纳米结构衬底上的到荧光猝灭现象提供了实验依据，同时也证明了隔离层在增强荧光效应中的重要作用。
根据上述研究可知，通过制备具有合适形貌、维数的增强金属衬底，以及控制荧光分子与衬底之间间距，可以获得高效的增强荧光辐射。