Sensitivity of Silver Square and Triangular Chiral Plasmon Nanosensors

Abstract

Plasmonic nanosensors have emerged as a powerful tool for biosensing and other applications. Therefore, efforts are underway to achieve higher sensitivity for these nanosensors. In line with this goal, we have investigated the sensitivity of silver square and triangular chiral nanosensors based on two strategies, Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR)-based and Circular Dichroism (CD)-based sensing. Chiral nanostructure parameters (height, diameter) and the angle of incidence light have been optimized with calculation method (3-D finitedifference time-domain (3-D-FDTD)) in order to obtain best localized surface plasmon resonance and consequently the highest sensitivity. The calculation results show that sensitivitys~1727 and 1658nmRIU -1 can be achieved in LSPR-and CD-based sensing method respectively for square chiral nanostructure, which are significantly more than previous works.

Microstructure building and thermal stability of cermet-based photothermal conversion coatings with layered structures

“…2 随着煤炭、石油和天然气等化石能源的过度开采和利用，由此引发的能源紧 缺、环境污染等问题已无法回避，发展新能源也因此成为了未来人类社会可持续 发展的必然选择。在各种新能源中，太阳能热利用以其简单、直接和高效等特点， 有着无可比拟的发展优势 [1] ，但太阳光到达地球表面后，由于其能量密度较小且不 连续，无法进行大规模的开发利用。为了将太阳能转换成高品位热能，必须使用 光热转换涂层来提高热转换效率，光热转换涂层也被公认为是太阳能热利用的"核 芯"。 光热转换涂层是一类对太阳光具有选择吸收效果的特种涂层，即在太阳光谱 范围(0.3-2.5 μm)具有高吸收比，在红外波段(2.5-25 μm)具有低发射比，从而 能够高效地将太阳光转换为热能。随着太阳能热利用技术的不断发展，要求光热 转换涂层还必须兼具良好的热稳定性 [2] ， 如基于熔融盐介质的槽式太阳能热发电系 统要求工作温度达 550℃ [1,3] 以上，如此高温会加剧原子的扩散以及与环境气体的 反应，造成光热转换涂层选择吸收性能的衰减，甚至完全丧失。因此，发展选择 吸收性能和热稳定性俱佳的光热转换涂层是大规模推广太阳能光热应用的关键。 在现有的光热转换涂层中，由金属纳米颗粒随机嵌于陶瓷电介质形成的金属 陶瓷(或称金属-电介质)涂层 [4,5] ，可以通过控制纳米粒子含量、尺寸和形状等参 数，获得高的选择性吸收效果 [6] ，是目前应用最为广泛的光热转换涂层。然而，在 高于 500℃工况下，涂层中的金属纳米颗粒由于热稳定性差，易发生长大、团聚及 层间扩散等不稳定行为， 如 Barshilia 等人制备的 Ti/AlTiN/AlTiON/AlTiO 光热转换 涂层不仅吸收率达到 0.93，发射率也在 0.16-0.17，而且在 350℃、大气环境下可稳 定 1000 h 以上，但当服役温度高于 450℃时便会发生显著的吸收率降低的现象， 其主要原因是高温改变了纳米颗粒的原有光学特性，并破坏了涂层的微结构和吸 收机制，致使涂层的选择吸收性能发生不可逆衰减 [7] ，即金属陶瓷光热转换涂层的 高温热稳定性不足，已成为制约其应用的瓶颈问题。 为了提高金属陶瓷光热转换涂层中纳米颗粒的高温热稳定性，以往的研究主 要集中在 3 个方面： (1)添加合金元素形成更加稳定的纳米粒子 [8][9][10] ，通过减小晶 界能来抑制高温下的粗化行为，如 Wang 等发现将 Ti 引入到 W 粒子中形成 WTi 合金纳米颗粒，能够抑制 W 原子的热扩散和纳米颗粒的团聚现象，能够显著提高 涂层的热稳定性 [8] ，但尚无法满足大气条件下长时间高温服役的要求，且该方法存 在掺杂元素易扩散的弊端，会降低涂层的耐高温性和抗腐蚀性能；( 2)在纳米颗 粒表面形成氧化物薄膜 [11,12] ，使其在高温下不易长大，如 Gao 等 [13] 通过在 Ag 纳 米粒子表面沉积 SiO 2 薄层，制备出的 Ag@SiO 2 纳米粒子表现出更好的热稳定性， 但由于覆盖氧化物钝化膜的工艺复杂，规模化应用前景有限； (3)利用过渡金属 氮化物替代金属纳米颗粒作为吸光组元 [14][15][16] ，如 Du 等选用 Ti 0.5 Al 0.5 N/Ti 0.25 Al 0.75 N/AlN 双吸收层太阳光谱选择性吸收涂层 [17] ，其吸收率高达 0.945，发射率也仅有 0.04，但在长时间、高温服役中仍存在纳米粒子失稳分解的 问题，这会造成价键的破坏和 N 原子的逸出。 值得注意的是，金属陶瓷光热转换涂层中纳米颗粒的热稳定性除了受热力学 因素影响外，还与涂层的微结构，如纳米颗粒的尺寸、分布特征以及结合状态等 因素密切相关 [18][19][20] 。然而，常规的制备方法无法兼顾金属陶瓷涂层结构和金属纳 米颗粒特性的调控，因为金属相的结晶滞后于陶瓷相，且两者之间的润湿性较差， 导致金属纳米粒子极易发生聚集，从而造成尺寸、形态、分布特征不合理，致使 现有的研究均将纳米颗粒和陶瓷电介质的混合物视为一种等效介质，忽略了纳米 颗粒尺寸和形状的影响，存在明显的局限性，这也是以往研究未能使金属陶瓷光 热转换涂层热稳定性取得突破性改善的根本原因。 研究发现 [21] ，通过在过渡金属氮化物晶界引入非晶，可以形成纳米粒子植于 非晶的稳定双相复合结构，非晶由于没有晶界，可以闭塞原子快速扩散的通道， 降低 N、O 等元素的扩散，提高纳米粒子的热稳定性。同时，研究还发现，纳米 颗粒的分层化排列可以使涂层的消光光谱向红外方向移动，能够更好的匹配太阳 光谱，显著优化涂层的选择吸收性能 [22]…”