具有光力增强特性的核壳型颗粒、增强光力的方法和应用技术

本发明专利技术属于光学精密测量技术领域，具体是涉及一种具有光力增强特性的核壳型颗粒、增强光力的方法和应用，核材料为纳米晶体，壳材料为金属材质，所述纳米晶体为NaYF4：Yb

【技术实现步骤摘要】
具有光力增强特性的核壳型颗粒、增强光力的方法和应用


[0001]本专利技术属于光学精密测量
，具体是涉及一种具有光力增强特性的核壳型颗粒、增强光力的方法和应用。

技术介绍

[0002]光与物质的相互作用，包括光的吸收、散射和谐波光子的产生，是由电磁场中材料的介电常数所表征的。低折射率纳米粒子，如二氧化硅、聚苯乙烯和细胞器的脂质膜，具有低介电常数，这从根本上限制了依赖于纳米粒子与周围介质折射率不匹配的技术的应用，例如定量相位成像，暗场显微镜、干涉散射显微镜和光镊。特别是，用于纳米材料组装和生物分子力传感的低折射率纳米颗粒的光学操纵仍然是一个挑战。
[0003]金属纳米颗粒光力增强与稳定捕获研究，刘洪双等，半导体光电，2019年8月第40卷第4期，描述了光力增强的影响因素，其2.2指出，对于金、银、铜等贵金属构成的微纳结构，当结构参数、照明参数满足特定条件时，结构光场能够发生局部表面等离子体共振(LSPR)效应，实现金属表面电磁场的局域和增强。对于金基底上金纳米球结构，当入射光波长一定时，特定半径的金球能够产生LSPR效应。此外，金基底与金纳米球之间的纳米间隙内会激发出间隙表面等离激元(GSPP)，其能够将电磁场局域在纳米间隙内，进一步增强了间隙内的电磁场，使得金纳米球所受光力增强，实现稳定捕获。因此，对于金基底上半径r＝142nm的金球，在径向偏振光的照射下，由于LSPR效应以及GSPP的激发，能够获得较大光阱刚度以及轴向光力绝对值。但是，借助于结构光场和基底的方案，系统复杂度高，限制了光镊系统的使用范围。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是提供一种具有光力增强特性的核壳型颗粒、增强光力的方法和应用，具有吸收带可调谐、高上转换效率、化学稳定性好、易合成等优点。
[0005]本专利技术的内容包括一种具有光力增强特性的核壳型颗粒(也称为核壳型微球)，核材料为纳米晶体，外壳为金属材质，所述纳米晶体为NaYF4：Yb
3+
，Er
3+
，Nd
3+
(NaYF4纳米晶体中可以掺杂镧系离子Yb
3+
，Er
3+
，Nd
3+
中的某一种)或YLF：Yb
3+
，所述金属材质为金或银(能够激发出表面等离激元的金属材料即可，优选为金或银)。
[0006]优选的，所述纳米晶体为NaYF4：20％Yb
3+
，氟化物具有较低的声子能量(～350cm
‑1)和相对稳定的化学性质，并且，NaYF4是目前研究最为广泛的上转换基质材料，20％Yb
3+
掺杂的NaYF4是目前上转换效率最高的材料。
[0007]优选的，所述金属材质为金。
[0008]优选的，金属外壳的厚度的确定条件为，对金属外壳的厚度进行调谐，当金属外壳的表面等离激元共振波长和纳米晶体的吸收共振相匹配时，此时的金属外壳的厚度即为最佳厚度。
[0009]优选的，金属外壳的厚度为2
‑
20nm。
[0010]优选的，当核(纳米晶体)半径与外壳厚度比约为9:1时，可以获得900nm的SPR。
[0011]本专利技术提供一种增强光力的方法，步骤为，强聚焦高斯光束照射到所述的具有光力增强特性的核壳型颗粒上，控制核壳型颗粒中壳材料的厚度，使得金属外壳的SPR波长和纳米晶体的吸收共振波长相匹配时，金属外壳和纳米晶体共振，实现光力增强。
[0012]优选的，所述高斯光束为强聚焦高斯光束，由高斯光束经过NA值为1.4的油浸物镜之后，输出得到。
[0013]本专利技术提供一种所述的具有光力增强特性的核壳型颗粒在增强光力方面的应用。
[0014]使用金属包覆镧系上转换纳米晶体的核壳型颗粒(微球)(UCNs@Metals)，其直径远小于入射光波长；所述UCNs@Metals核壳型微球所受光力分为梯度力和散射力，其中，梯度力主要是用于将UCNs@Metals核壳型微球稳定捕获，而散射力主要是推动UCNs@Metals核壳型微球远离稳定捕获点。因此，为了实现微球的稳定捕获，需要增强光梯度力。根据瑞利模型，光梯度力的大小与微球的极化率实部成正比：
[0015][0016]其中，F
grad
为光梯度力，Re(α
cs
)为UCNs@Metals核壳型微球的等效极化率实部，c为真空中的光速，ε0为真空中的介电常数，为电场梯度的平方。可通过增大Re(α
cs
)，实现光力增强。衡量微球在光阱中心稳定捕获的物理量是光阱刚度，它表示微球在光阱中的位移与所受光力的关系曲线在线性部分的斜率。
[0017]本专利技术的有益效果是，本专利技术提出了使用UCNs@Metals核壳型颗粒(微球)实现光力增强的方法。通过在低折射率镧系上转换纳米晶体(UCNs)外围涂覆一层金属外壳，调节金属外壳的厚度，使得其SPR波长与UCNs的吸收共振波长相近，那么此时SPR的能量与UCNs的电子激发所需的能量完全匹配，能量从表面等离激元转移到UCN中的电子。在这种共振条件下，等离子体波的电场矢量与UCNs中的跃迁偶极子有效耦合，导致UCNs吸收截面增大。大的吸收截面会产生更多的自由电荷，会使得UCNs@Metals的极化率增加，从而实现光力增强。
[0018]本申请的光力增强实现的整个过程不改变粒子本身的折射率，由金属外壳的SPR与UCNs的吸收共振相耦合，实现UCNs@Metals核壳型微球的极化率实部增强而产生，具有吸收带可调谐、高上转换效率、化学稳定性好、易合成等优点。
[0019]该UCNs@Metals核壳型微球可以绕过物体与周围介质折射率不匹配所造成的限制，为设计纳米尺度的远场光镊提供了一种新方法。该方法使得高空间分辨率和高灵敏度的力传感成为可能，并为纳米级光流控技术的应用提供了巨大的潜力。目前为止，尚未见到有关于利用UCNs@Metals核壳型微球实现光力增强的报道。
[0020]相对于单纯的UCNs晶体，使用本申请的核壳型颗粒，光力可以提升一个数量级，具备近红外可调谐特性，通过调节外壳的厚度，可实现从反向、稳定捕获、光推力到光牵引力的转换。
[0021]核壳型颗粒中的纳米晶体为掺杂镧系离子的上转换纳米晶体，通常用来增强上转换发光强度，一般来说，为了提高发光强度，会对纳米晶体进行包裹，常见的包裹材料为二氧化硅，NaYF4等，为了提高上转化晶体发光效率，常见的方法是：1改变掺杂离子种类和浓
度，2包覆无机壳层，3等离激元共振，4增加晶体尺寸，5纳米异质结。本申请在纳米晶体上包覆以单纯的金属材料，作为壳材料，应用于增强光力，有效的提高了光力。
[0022]本专利技术通过限定壳的厚度以及壳和纳米晶体核半径之间的比例，有效的提高了光力。
附图说明
[0023]图1为本专利技术的核壳型颗粒的结构示意图，其中，1为光源，2为纳米晶体核，3为金属壳。
[0024]图2为本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有光力增强特性的核壳型颗粒，其特征是，核材料为纳米晶体，外壳为金属材质，所述纳米晶体为NaYF4：Yb
3+
，Er
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，Nd
3+
或YLF：Yb
3+
，所述金属材质为金或银。2.如权利要求1所述的具有光力增强特性的核壳型颗粒，其特征是，所述纳米晶体为NaYF4：20％Yb
3+
。3.如权利要求1所述的具有光力增强特性的核壳型颗粒，其特征是，所述金属材质为金。4.如权利要求1所述的具有光力增强特性的核壳型颗粒，其特征是，金属外壳的厚度的确定条件为，金属外壳等离子体共振波长和纳米晶体吸收共振波长匹配。5.如权利要求4所述的具有光力增强特性的核壳...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖光宗，彭妙，韩翔，陈鑫麟，熊威，罗晖，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：