一种利用亚铁磁性复合颗粒磁化增强荧光材料发光性能的方法与流程

本发明属于光增强技术领域，具体涉及一种利用亚铁磁性复合颗粒磁化增强荧光材料发光性能的方法。

背景技术：

贵金属纳米颗粒的局域表面等离激元共振(lspr)增强技术广泛应用于提升传感器灵敏度、光催化效率、荧光材料发光性能等。lspr效应增强的本质是局域电场的增强。在光学材料发光性能方面，lspr电场的增强研究通常聚焦于以下一些方面。一是共振幅度，取决于共振波长与激发光波长的匹配度。二是贵金属纳米颗粒表面的电子密度，取决于颗粒形貌是否具有能聚集更多电子的“尖锐”结构。三是防止发光猝灭的隔离层，主要取决于隔离层的厚度。这些研究都是基于无外场影响的贵金属纳米颗粒独立系统而开展的。在器件性能要求越来越高的应用背景下，lspr效应增强技术亟需创新。为进一步提升贵金属纳米颗粒的lspr增强效应，需要引入贵金属纳米颗粒独立系统以外的因素，以满足日益提升的应用需求。

技术实现要素：

发明目的：为了增强贵金属纳米颗粒的局域电场强度，实现与现有的多种增强途径叠加的lspr增强技术，本发明提供了一种利用亚铁磁性复合颗粒磁化增强荧光材料发光性能的方法。在贵金属纳米颗粒本身增强荧光材料发光性能的同时，通过磁化使亚铁磁性颗粒获得剩磁，增强贵金属纳米颗粒的局域表面等离激元共振性能，从而使荧光材料的发光强度相比于磁化前得到显著提高。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用亚铁磁性复合颗粒磁化增强荧光材料发光性能的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)以亚铁磁性四氧化三铁颗粒为核，在其表面包覆银纳米颗粒或银纳米团簇，形成亚铁磁性复合颗粒；

(2)将亚铁磁性复合颗粒分散于聚乙烯吡咯烷酮-乙醇溶液中，并涂覆于荧光材料表面成膜；

(3)将涂覆有亚铁磁性复合颗粒膜的荧光材料于外磁场中进行磁化。

所述的亚铁磁性四氧化三铁颗粒直径为5～10μm。

所述的银纳米颗粒直径为8～10nm，银纳米团簇直径为2nm左右。

所述的外磁场强度为18～30mt，磁化时间为1～2min。

发明机理：lspr效应发生时，贵金属纳米颗粒薄膜不同微区的电子共振方向不一致。为增大局域电场强度，考虑引入磁场，使不同微区的电子共振方向一致性提高，因此本发明选择采用亚铁磁性颗粒作为贵金属纳米颗粒的核心。区别于常用的超顺磁性fe3o4颗粒，亚铁磁性fe3o4颗粒在磁化后具有剩磁，为其表面的银纳米颗粒(纳米团簇)提供了一个局域磁场。当发生lspr时，在局域磁场的作用下，不同区域的银纳米颗粒(纳米团簇)中的电子共振方向趋于一致，lspr电场强度得到增强，表现为介电常数增大，从而改善其对荧光材料的光增强效果。同时，银纳米颗粒(纳米团簇)的包覆结构也屏蔽了亚铁磁性核对荧光的吸收。另外，颗粒尺寸在10nm以下的银纳米颗粒(纳米团簇)在一定波长的激发光照射之下也可发射荧光，进一步增强材料的总发光强度。

有益效果：与现有技术相比，本发明利用亚铁磁性复合颗粒磁化增强荧光材料发光性能的方法，集三方面优势于一体，分别是：一、磁性复合颗粒磁化前，银纳米颗粒(纳米团簇)已具有增强荧光材料发光性能的作用；二、磁性复合颗粒磁化后，亚铁磁性核为银纳米颗粒(纳米团簇)提供局域磁场，进一步增强荧光材料的发光性能；三、银纳米颗粒(纳米团簇)本身具有荧光性能，有利于提升材料的总发光强度。此亚铁磁性复合颗粒仅需常温包覆制备即可，无需热处理，磁化方便，是荧光材料发光性能增强的有效途径。

附图说明

图1为fe3o4@sio2@ag(nps)亚铁磁性复合颗粒的透射电镜图；

图2为fe3o4@sio2@ag(ncs)亚铁磁性复合颗粒的透射电镜图；

图3为fe3o4@sio2@ag(nps)不同强度磁化对yag：ce发光强度的影响；

图4为fe3o4@sio2@ag(ncs)不同强度磁化对yag：ce发光强度的影响；

图5为fe3o4@sio2@ag(nps)18mt下磁化对zno发光强度的影响；

图6为fe3o4@sio2@ag(ncs)18mt下磁化对zno发光强度的影响；

图7为fe3o4@sio2@ag(nps/ncs)在325nm激发下磁化前后的荧光强度。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

一种利用亚铁磁性复合颗粒磁化增强荧光材料发光性能的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)以亚铁磁性四氧化三铁颗粒为核，在其表面包覆银纳米颗粒或银纳米团簇，形成亚铁磁性复合颗粒；

(2)将亚铁磁性复合颗粒分散于聚乙烯吡咯烷酮-乙醇溶液中，并涂覆于荧光材料表面成膜；

(3)将涂覆有亚铁磁性复合颗粒膜的荧光材料于外磁场中进行磁化。

所述的亚铁磁性四氧化三铁颗粒直径为5～10μm。

所述的银纳米颗粒直径为8～10nm，银纳米团簇直径为2nm左右。

所述的外磁场强度为18～30mt，磁化时间为1～2min。

亚铁磁性复合颗粒磁化后对yag：ce的发光增强可达1.5倍，对zno的发光增强可达3倍。

实施例1

采用亚铁磁性的fe3o4作为核，以teos水解3h获得sio2过渡层，利用聚乙烯吡咯烷酮作为还原剂，硝酸银作为银源，常温超声加机械搅拌6h制得fe3o4@sio2@ag(ag为纳米颗粒nps)亚铁磁性复合颗粒(图1)。采用超声加机械搅拌的方式将fe3o4@sio2@ag(nps)分散于聚乙烯吡咯烷酮-乙醇溶液中，浓度为0.01g/ml，超声分散时间为10min。将此溶液滴涂于yag：ce荧光基体上，烘干后在460nm激发光下测其荧光强度。在不同强度的外磁场中磁化1～2min，待外磁场移除后，再测其荧光强度(图3)。对比磁化前的荧光强度，发现磁化后荧光得到显著增强，发光强度随外磁场强度增大而增大，至18mt时已变化不大，相比于磁化前荧光强度增至1.5倍。

实施例2

采用亚铁磁性的fe3o4作为核，以teos水解1h获得sio2过渡层，利用聚乙烯吡咯烷酮作为还原剂，硝酸银作为银源，常温超声加机械搅拌17h制得fe3o4@sio2@ag(ag为纳米团簇ncs)亚铁磁性复合颗粒(图2)。采用超声加机械搅拌的方式将fe3o4@sio2@ag(ncs)分散于聚乙烯吡咯烷酮-乙醇溶液中，浓度为0.01g/ml，超声分散时间为10min。将此溶液滴涂于yag：ce荧光基体上，烘干后在460nm激发光下测其荧光强度。在不同强度的外磁场中磁化1～2min，待外磁场移除后，再测其荧光强度(图4)。对比磁化前的荧光强度，发现磁化后荧光得到显著增强，发光强度随外磁场强度增大而增大，至30mt时已变化不大，相比于磁化前荧光强度增至1.1倍。

实施例3

采用亚铁磁性的fe3o4作为核，以teos水解3h获得sio2过渡层，利用聚乙烯吡咯烷酮作为还原剂，硝酸银作为银源，常温超声加机械搅拌6h制得fe3o4@sio2@ag(nps)亚铁磁性复合颗粒(图1)。采用超声加机械搅拌的方式将fe3o4@sio2@ag(nps)分散于聚乙烯吡咯烷酮-乙醇溶液中，浓度为0.01g/ml，超声分散时间为10min。将此溶液滴涂于zno荧光基体上，烘干后在325nm激发光下测其荧光强度。在18mt的外磁场中磁化1～2min，待外磁场移除后，再测其荧光强度(图5)。对比发现，相比于磁化前，磁化后的荧光强度增至1.4倍。在频率1khz条件下，利用精密lcr测试仪测此薄膜的电容(表1)，其增加率为9.4％，这证明了介电常数的增加，也说明了lspr电场强度得到增强。

表1.各种薄膜的电容(单位：pf)

实施例4

采用亚铁磁性的fe3o4作为核，以teos水解1h获得sio2过渡层，利用聚乙烯吡咯烷酮作为还原剂，硝酸银作为银源，常温超声加机械搅拌17h制得fe3o4@sio2@ag(ncs)亚铁磁性复合颗粒(图2)。采用超声加机械搅拌的方式将fe3o4@sio2@ag(ncs)分散于聚乙烯吡咯烷酮-乙醇溶液中，浓度为0.01g/ml，超声分散时间为10min。将此溶液滴涂于zno荧光基体上，烘干后在325nm激发光下测其荧光强度。在18mt的外磁场中磁化1～2min，待外磁场移除后，再测其荧光强度(图6)。对比发现，相比于磁化前，磁化后的荧光强度增至3倍。在频率1khz条件下，利用精密lcr测试仪测此薄膜的电容(表1)，其增加率为15％，这证明了介电常数的增加，也说明了lspr电场强度得到增强。

图7：将以上实施例中的fe3o4@sio2@ag(nps)和fe3o4@sio2@ag(ncs)溶液分别滴涂于玻璃片上，在325nm激发光下测试其荧光性能，发现这两种亚铁磁性复合颗粒均发射荧光。在18mt的外磁场中磁化1～2min，待外磁场移除后，再测其荧光强度，发现其荧光强度几乎不受磁场的影响，说明磁化后荧光材料的发光增强主要与银纳米颗粒(纳米团簇)的lspr特性以及介电常数的改变有关，但银纳米颗粒(纳米团簇)的荧光能提升材料的总发光强度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，本发明也并不限于上述举例，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡是在本发明的精神和原则范围之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应属于本发明的权利要求范围。