一种基于声子极化激元的红外光控纳米热源及其设计方法技术

本发明专利技术涉及纳米光子学和微纳尺度传热技术领域，尤其涉及一种基于声子极化激元的红外光控纳米热源及其设计方法。该光控纳米热源由支持声子极化激元的材料制成，可以形成衬底上集成的或无衬底支撑的周期性或非周期性纳米结构。所述材料可以是极性电介质、非极性电介质或离子晶体，具有不同的声子极化激元共振波长范围。本发明专利技术能够有效解决现有光控纳米热源技术中存在的问题，并且能够实现对不同波长、尺寸、产热效率和产热量范围内光控热源材料和应用的补充和拓展。应用的补充和拓展。应用的补充和拓展。

【技术实现步骤摘要】
一种基于声子极化激元的红外光控纳米热源及其设计方法


[0001]本专利技术涉及纳米光子学和微纳尺度传热
，尤其涉及一种基于声子极化激元的红外光控纳米热源及其设计方法。

技术介绍

[0002]光控纳米热源是一种利用光照来控制和调节微纳尺度温度的材料或装置，在生物医学、化学催化、能量收集、纳米制造等领域具有重要的应用价值。例如，光控纳米热源可以用于实现对肿瘤细胞的高效杀伤、对太阳能的高效转换、对纳米结构的精确加工等。
[0003]目前，基于等离激元的光控纳米热源是一种常见的技术方案。它利用金属纳米结构与光场的相互作用，可以突破衍射极限，显著增强光吸收和散射，并产生局域化的电场增强和高能热电子，最终实现高效的产热。然而，这种技术方案也存在一些问题和局限性，主要有以下几点：
[0004](1)等离激元材料通常只对可见光或近红外光有较强的响应，而对红外光则表现出较低的吸收和产热效率，这限制了其在不同波长范围内的应用。
[0005](2)等离激元材料具有很高的自由载流子浓度，导致驱动产热的电场增强只局限在比较薄层的表面区域(比如金的集肤深度约为20nm)，因此要实现较高的产热效率，通常需要比较小或薄的尺寸(约为10
‑
100nm)的纳米结构。然而，小尺寸纳米结构也会带来一些问题，如难以制备、易于聚集、稳定性差等。
[0006](3)较大尺寸(>100nm)的等离激元结构在与光场相互作用时会产生较大的散射损耗，这会显著降低其光吸收能力，且由于其浅表层加热的特点，导致实际参与产热的材料体积较少，从而极大限制其产热量和产热效率。
[0007]因此，目前尚未有一种能够有效解决上述问题的光控纳米热源技术方案。

技术实现思路

[0008]鉴于上述问题和局限性，本专利技术旨在提供一种新型的光控纳米热源技术方案，该方案基于声子极化激元，是一种由晶格振动与电磁波耦合而形成的准粒子。
[0009]声子极化激元具有以下优点：
[0010](1)声子极化激元可以在极性电介质、非极性电介质或离子晶体等多种材料中存在，并且可以通过调节材料组成和结构来实现对不同波长范围内(尤其是中远红外光)光场的响应。
[0011](2)声子极化激元可以在较大尺寸(>100nm)的纳米结构中实现较深的场渗透，因此可实现区别于金属浅表层加热的体积加热，并且可以通过改变纳米结构形貌来调节产热效率和产热量。
[0012](3)声子极化激元可以在较低损耗下实现强场限域，并且可以通过设计复合或异质结构来进一步增强其与光场之间的相互作用。
[0013]因此，本专利技术提供了一种基于声子极化激元的光控纳米热源及其设计方法，能够
有效解决现有技术方案中存在的问题，并且能够实现对不同波长范围内、不同尺寸范围内、不同产热效率和产热量范围内光控热源材料和应用的补充和拓展。
[0014]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0015]本专利技术提供了一种基于声子极化激元的红外光控纳米热源，该光控纳米热源由支持声子极化激元的材料制成，形成衬底上集成的或无衬底支撑的周期性或非周期性的纳米结构；
[0016]所述支持声子极化激元的材料包含极性电介质、非极性电介质或离子晶体，具有不同的声子极化激元共振波长范围。
[0017]优选的，所述纳米结构包含纳米球、纳米块、纳米盘、纳米星、纳米片、纳米棒和非规则纳米结构中的一种或几种；纳米结构的特征尺寸为其声子极化激元共振波长的亚波长范围，即10nm～10um。
[0018]优选的，所述极性电介质包含氮化硼、氧化钼、氮化铝或碳化硅；
[0019]所述非极性电介质包含氧化硅、氧化锆或氮化硅；
[0020]所述离子晶体包含方解石、氧化铝、氯化钠、氯化铷、碘化银或碘化钾。
[0021]本专利技术还提供了所述光控纳米热源的设计方法，包含如下步骤：
[0022]方法一，基于溶液法制备光控纳米热源的方法，包括：
[0023]将支持声子极化激元的材料分散到溶剂中，得到分散均匀的胶体溶液；该支持声子极化激元的材料具有特定纳米结构；
[0024]采用与该纳米结构声子极化激元共振频率相同的单色激光照射所得胶体溶液，得到光控纳米热源；
[0025]方法二，基于涂覆法制备光控纳米热源的方法，包括：
[0026]将支持声子极化激元的材料溶解或分散在溶剂中，得到涂覆液，其中涂覆液的质量浓度为0.1～10％；该支持声子极化激元的材料具有特定纳米结构；
[0027]将涂覆液旋涂到基底上，形成该纳米结构均匀离散分布的涂覆层；
[0028]采用与该复合结构声子极化激元共振频率相同的单色激光照射基底上的涂覆层，得到光控纳米热源；
[0029]方法三，基于微纳加工法制备光控纳米热源的方法，包括：
[0030]通过微纳加工方式将支持声子极化激元的材料制备成具有周期性性或非周期性性的纳米结构；
[0031]采用与该纳米结构声子极化激元共振频率相同的单色激光进行照射，得到光控纳米热源；
[0032]方法四，基于球磨法制备光控纳米热源的方法，包括：
[0033]将支持声子极化激元的材料在真空中顺次球磨、热压形成具有特定形状和尺寸的纳米结构；
[0034]采用与该纳米结构声子极化激元共振频率相同的单色激光进行照射，得到光控纳米热源。
[0035]优选的，方法一中所述溶剂包含水、乙醇、乙二醇和乙酸中的一种或几种；胶体溶液的质量浓度为0.1～10％；单色激光的功率密度为0.00001～10W/μm2，照射时间为1～300分钟。
[0036]优选的，方法二中所述溶剂包含水、乙醇、乙二醇和乙酸中的一种或几种，涂覆液的质量浓度为0.1～10％；
[0037]所述基底包含金属或陶瓷；所述旋涂的速度为100～1000转/分钟，旋涂时间为1～10秒，使该纳米材料在基底上形成非连续薄膜，旋涂厚度为10～1000纳米；所述单色激光的功率密度为0.00001～10W/μm2，照射时间为1～300分钟。
[0038]优选的，方法三中微纳加工方式包含电子束曝光、离子束刻蚀、原子层沉积或自组装；单色激光的功率密度为0.00001～10W/μm2，照射时间为1～300分钟。
[0039]优选的，方法四中球磨时间为1～10小时，球磨速度为100～1000转/分钟，球磨介质为钢球或陶瓷球；热压温度为200～800摄氏度，压力为10～100MPa，保压时间为1～10分钟；真空度为10
‑6～105Pa；单色激光的功率密度为0.00001～10W/μm2，照射时间为1～300分钟。
[0040]本专利技术提供了一种基于支持声子极化激元材料的新型光控纳米热源技术方案，利用其声子极化激元介导的超强电场局域和超深场渗透，进而实现极高的产热效率和极强的产热能力，且其能够对不同波长范围内的光控热源材料和应用进行补充和拓展。此外，该方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于声子极化激元的红外光控纳米热源，其特征在于，该光控纳米热源由支持声子极化激元的材料制成，形成衬底上集成的或无衬底支撑的周期性或非周期性的纳米结构；所述支持声子极化激元的材料包含极性电介质、非极性电介质或离子晶体，具有不同的声子极化激元共振波长范围。2.根据权利要求1所述光控纳米热源，其特征在于，所述纳米结构包含纳米球、纳米块、纳米盘、纳米星、纳米片、纳米棒和非规则纳米结构中的一种或几种；纳米结构的特征尺寸为其声子极化激元共振波长的亚波长范围，即10nm～10um。3.根据权利要求1或2所述光控纳米热源，其特征在于，所述极性电介质包含氮化硼、氧化钼、氮化铝或碳化硅；所述非极性电介质包含氧化硅、氧化锆或氮化硅；所述离子晶体包含方解石、氧化铝、氯化钠、氯化铷、碘化银或碘化钾。4.权利要求1～3任意一项所述光控纳米热源的设计方法，其特征在于，包含如下步骤：方法一，基于溶液法制备光控纳米热源的方法，包括：将支持声子极化激元的材料分散到溶剂中，得到分散均匀的胶体溶液；该支持声子极化激元的材料具有特定纳米结构；采用与该纳米结构声子极化激元共振频率相同的单色激光照射所得胶体溶液，得到光控纳米热源；方法二，基于涂覆法制备光控纳米热源的方法，包括：将支持声子极化激元的材料溶解或分散在溶剂中，得到涂覆液，其中涂覆液的质量浓度为0.1～10％；该支持声子极化激元的材料具有特定纳米结构；将涂覆液旋涂到基底上，形成该纳米结构均匀离散分布的涂覆层；采用与该复合结构声子极化激元共振频率相同的单色激光照射基底上的涂覆层，得到光控纳米热源；方法三，基于微纳加工法制备光控纳米热源的方法，包括：通过微纳加工方式将支持声子极化激元的材料制备成具有周...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴庆，杨贝，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：