以步進式掃描傅氏轉換光譜儀研究光激發金奈米粒子之瞬態紅外放光

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研究生：	劉佳陵 Liu, Jia Ling
論文名稱：	以步進式掃描傅氏轉換光譜儀研究光激發金奈米粒子之瞬態紅外放光 Monitoring the transient thermal infrared emission of gold nanoparticles upon photoexcitation with step–scan Fourier–transform spectrometer
指導教授：	朱立岡 Chu, Li Kang
口試委員:	陳益佳陳仁焜
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	理學院 - 化學系 Department of Chemistry
論文出版年：	2016
畢業學年度：	105
語文別：	中文
論文頁數：	82
中文關鍵詞：	步進式掃描傅氏轉換光譜儀、金奈米粒子、瞬態紅外放光
外文關鍵詞：	step–scan Fourier–transform spectrometer, gold nanoparticles, transient thermal infrared emission
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金奈米粒子具有表面電漿共振的光學性質，隨著形狀、粒徑與環境的不同而改變其共振吸收波長在可見光至紅外光波段。而金奈米粒子吸收光能後得轉換成熱能，此光熱轉換的特性使得金奈米粒子被視為奈米加熱源的最佳材料。然而目前並沒有直接觀察金奈米粒子受光激發後所產生之瞬態溫度的方法。本研究將藉由時間解析傅立葉紅外光譜儀收集光激發金奈米粒子之熱紅外放光，建立一套偵測金奈米粒子於電子與聲子達平衡後奈秒時域下之瞬態溫度。吾人實驗概念以圖一表示，偵測以能量為25 mJ cm-2之532 nm脈衝雷射(5 ns)激發三種不同保護基(檸檬酸鈉、溴化十六烷基三甲銨與聚乙二醇單甲醚硫醇)之金奈米粒子，比較其紅外放光與標準黑體輻射，估計光激發金奈米粒子之瞬態溫度可達200 oC以上。此外，將雷射能量調整為19 mJ cm-2激發三種不同粒徑以溴化十六烷基三甲銨保護之金奈米粒子，得到瞬態溫度隨著粒徑增大而下降，與米氏理論所提出之金奈米粒子光熱轉換效率隨粒徑變化的趨勢相符。此外，以奈秒脈衝雷射激發金奈米粒子的過程，會因為溫度上升導致表面熔化以及其形貌的改變，其形變程度與保護基種類和粒徑大小有關係。當保護基與金奈米粒子間形成共價鍵，保護基不會因溫度上升而遠離粒子表面，使之互熔聚集而產生形變；若兩者間僅以靜電作用力吸附，隨溫度上升愈多保護基遠離粒子表面而產生愈嚴重之形變。由於步進式時間解析傅立葉紅外放光光譜法所具備多重波長特性與次微秒之時間解析能力，使得吾人得擷取奈秒時域下金奈米粒子之瞬態溫度。故此特性可作為一非接觸性之光譜溫度計，將可應用於研究其他金屬奈米粒子的光熱效應。

The photothermal effect of the gold nanoparticles capped with different molecules, including citrate, cetyltrimethylammonium bromide (CTAB), and methoxyl-polyethylene glycol thiol (mPEG), has been investigated by collecting the time-resolved thermal infrared emission with a step-scan Fourier-transform interferometer. Upon the photoexcitation of the gold nanoparticles with nanosecond pulse laser (25 mJ cm–2 from a 5-ns pulsed laser) at 532 nm, the transient infrared emission lasts about 1μs, referring to the thermal relaxation from gold nanoparticle to the surroundings. By comparing the infrared emission contours in 90–120 ns with the blackbody radiation spectrum, the temperatures can reach up to 400 oC as the 24-nm mPEG-AuNP. Moreover, the photoexcitation of 35 nm CTAB-AuNP reveals higher transient temperature than that of 55 nm and 89 nm CTAB-AuNP, consisting with the prediction by Mie theory that the smaller nanoparticles possesses higher contribution of absorption in the extinction coefficient. In addition, gold nanoparticles upon photoexcitation bring about melting below melting temperature. Electron microscopy shows the morphology change before and after photoexcited gold nanoparticles. The time-resolved emission spectroscopy has the advantage of the duplexity on the temporal capability and broadband spectroscopic window and makes it a promising non-contact tool to quantify the transient photothermal event of miscellaneous metallic nanostructures.

目錄
第一章    緒論    1
1.1    前言    1
1.2    文獻回顧    1
1.3    實驗動機與目的    3
參考文獻    6
第二章    金奈米粒子之光學性質與光熱效應    9
2.1    侷域性表面電漿共振    9
2.2    光熱效應    10
2.2    金奈米粒子的熔化溫度    13
參考文獻    22
第三章    光譜技術原理、實驗系統與數據處理    25
3.1    光譜技術及實驗儀器原理    25
3.1.1    穩態紫外/可見光吸收光譜儀    25
3.1.2    電子顯微鏡    26
3.2    傅立葉轉換紅外光譜儀    27
3.2.1    邁克森干涉儀    28
3.2.2    傅立葉轉換    30
3.2.3    截斷函數與削足函數    30
3.2.4    相位誤差與相位校正    31
3.2.5    連續掃描之取樣方式    32
3.3    步進式掃描時間解析紅外光譜    33
3.3.1    工作原理    33
3.3.2    過疏取樣    34
3.3.3    數據擷取原理    35
3.4    儀器架設    36
3.4.1    雷射激發系統    36
3.4.2    反應樣品槽    36
3.4.3    步進式掃描傅式轉換紅外光譜儀    36
3.4.4    數據擷取系統    37
3.4.5    測量不同溫度下的黑體輻射光譜    37
3.5    樣品製備    38
3.5.1    奈米晶種合成    38
3.5.2    不同保護劑之金奈米粒子製備    39
3.5.3    實驗樣品製備    40
3.5.4    實驗藥品    40
3.6    儀器參數設定    41
3.6.1    穩態紫外/可見光吸收光譜儀    41
3.6.2    連續式掃描傅式轉換紅外光譜儀    41
3.6.3    步進式掃描傅式轉換紅外光譜儀    42
參考文獻    61
第四章    實驗結果與討論    63
4.1    金奈米粒子形貌與粒徑之鑑定    63
4.1.1    金奈米粒子之穩態紫外/可見光吸收光譜    63
4.1.2    電子顯微影像    63
4.3    金奈米粒子之時間解析紅外放光光譜    64
4.4    估計金奈米粒子之初生態溫度    66
4.4.1    量測不同溫度之黑體輻射    67
4.4.2    不同保護基之金奈米粒子的初生態溫度    67
4.4.3    不同粒徑之金奈米粒子結果    67
參考資料    80
第五章    結論    81


 
圖目錄
第一章
圖1-1 以雙溫度模型描述電子與晶格在10 ps內受飛秒雷射激發後的溫度變化    5
第二章
圖2-1 當金屬奈米粒子粒徑遠小於入射波長時，金屬奈米粒子的導電電子受入射光電場影響，以球體中心發生電偶極振盪現象，形成侷域性表面電漿共振    15
圖2-2 利用Mie理論與離散極化近似法計算金奈米粒子的消光效率    16
圖2-3 金奈米粒子經雷射激發後，將熱量由內部傳向外部過程之時序圖    17
圖2-4 金屬奈米粒子在加熱過程之表面熔化示意圖    18
圖2-5 金奈米粒子在不同溫度下之SEM圖像    19
圖2-6 利用分子動力學模擬由7164個金原子所組成的金奈米粒子在不同溫度下各晶面的相變化過程    20
圖2-7 以奈秒脈衝雷射激發檸檬酸作為保護基之金奈米粒子，使金奈米粒子聚集之示意圖    21
第三章
圖3-1 π、σ和n電子能階及其躍遷示意圖    44
圖3-2 自組裝式穩態紫外/可見光吸收光譜儀及光譜儀內部構造    45
圖3-3 電子顯微鏡構造圖    46
圖3-4 邁克森干涉儀構造示意圖    47
圖3-5 不同光源之干涉譜與對應之傳統光譜    48
圖3-6 在有限位移下量測之單色波數之頻寬變化    49
圖3-7 干涉譜取樣示意圖    50
圖3-8 傅立葉紅外光譜儀中三光源之傳統光譜與對應之干涉譜    51
圖3-9 步進式掃描時間解析光譜數據擷取示意圖    52
圖3-10 鏡像混疊示意圖    53
圖3-11 實驗系統架設與訊號連接示意圖與密閉式樣品反應槽    54
圖3-12 時間解析紅外光譜儀以AC耦合擷取時間解析光譜之時序控制圖    55
圖3-13 黑體輻射溫度實驗裝置圖及黑體輻射腔體、溫度控制器與三葉斬波器示意圖    56
圖3-14 保護基結構    57
圖3-15 樣品滴乾於CaF2鹽片上之狀態    58
第四章
圖4-1 穩態紫外/可見光吸收光譜    69
圖4-2不同保護基金奈米粒子之電子顯微影像    70
圖4-3不同粒徑CTAB-AuNP之電子顯微影像    71
圖4-4 金奈米粒子與其保護基之靜態紅外光譜    72
圖4-5不同保護基金奈米粒子之時間解析紅外放光光譜等值圖與其不同時間區間下之積分結果    73
圖4-6不同保護基金奈米粒子之時間解析紅外放光光譜等值圖積分不同波數區間下之時間側寫    74
圖4-7黑體輻射溫度之時間解析紅外放光等值圖    75
圖4-8 積分55-2000 μs間的黑體輻射放光光譜訊號之結果    76
圖4-9以黑體輻射於不同溫度之放光光譜估計不同保護基金奈米粒子之溫度    77
圖4-10不同粒徑CTAB-AuNP之時間解析紅外放光光譜等值圖    78
圖4-11積分不同粒徑之CTAB-AuNP放光光譜於1000-1250 cm-1區間之時間側寫    78
第五章
圖5-1 金奈米粒子時間解析放光實驗示意圖    82


表目錄
第三章
表3-1 常用之削足函數與對應之儀器譜線形狀函數列表    59
表3-2 最大過疏點數(undersampling)與其可正確描述之波數範圍    60
第四章
表4-1 保護基於1000-2000 cm-1間之特徵吸收峰    79


                                

第一章
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