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与流程

1.本发明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。


背景技术：

2.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。
3.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：
4.(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。
5.(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。
6.(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。
7.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。


技术实现要素：

8.鉴于上述问题和局限性，本发明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。
9.声子极化激元具有以下优点：
10.(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。
11.(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。
12.(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。
13.因此，本发明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。
14.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
15.本发明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；
16.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。
17.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。
18.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；
19.所述非极性电介质包含氧化硅、氧化锆或氮化硅；
20.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。
21.本发明还提供了所述光控纳米热源的设计方法，包含如下步骤：
22.方法一，基于溶液法制备光控纳米热源的方法，包括：
23.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；
24.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；
25.方法二，基于涂覆法制备光控纳米热源的方法，包括：
26.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；
27.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；
28.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；
29.方法三，基于微纳加工法制备光控纳米热源的方法，包括：
30.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；
31.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；
32.方法四，基于球磨法制备光控纳米热源的方法，包括：
33.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；
34.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。
35.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。
36.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％；
37.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。
38.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。
39.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。
40.本发明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，该方案能够利用较大尺寸的纳米结构，在减少散射损耗的同时允许体积加热，从而显著提高产热量和产热效率。因此，本专利提供了一种新颖且有效的途径来解决现有技术方案存在的问题，并且具有较高的应用价值。
41.与现有技术相比，本发明具有以下优势：
42.(1)可以实现对不同波长范围内光控热源材料和应用的补充和拓展。声子极化激元是一种由晶格振动与入射电磁波耦合而形成的表面或体积电荷密度振荡现象，它可以导致极性电介质纳米结构在特定波长范围内表现出强烈的吸收和散射特性。通过调节极性电介质纳米结构的形貌、尺寸、组成和排列方式，可以实现对声子极化激元共振波长和模式的精确调控。
43.(2)可以实现对不同尺寸范围内光控热源材料和应用的补充和拓展。声子极化激元介导的超强电场局域不受载流子浓度影响，因此不会受到集肤效应等因素限制，可以在比较大尺寸(》100nm)的纳米结构下实现较高的产热效率。而且，大尺寸纳米结构相比小尺寸纳米结构更容易制备、更稳定、更易于分散等。
44.(3)可以实现对不同产热量和产热效率范围内光控热源材料和应用的补充和拓展。声子极化激元介导的超强电场局域会有更好的场渗透，进而导致其在更大尺寸结构内提供更强的产热量和产热效率。
45.综上所述，本发明能够有效解决现有技术中存在的问题，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。
附图说明
46.图1为声子极化激元介导六方氮化硼纳米棒(hbnnr)产热性能：a)长为720nm，直径为100nm的hbnnr的吸收产热光谱，b)二维场分布和c)三维表面分布；
47.图2为加热原理和效果进行对比图，a)hbnnr长度对其吸收产热效率谱的调控作用；b)对应不同长度下的局部电场和热流密度分布；c)直径和管长均为100nm的金纳米棒的
吸收产热效率谱，插图表示对应局部电场、电流密度和热流密度分布；d)相同亚波长尺寸下金纳米棒和hbn纳米棒的温升随入射光强度的变化趋势；
48.图3为产热功率和热流密度分布图；
49.图4为相同光照强度下共振激光照射金和hbn圆盘的瞬态温度和诱导流体流动速度的分布趋势；
50.图5为相同光照强度(0.23mwμm-2
)下共振激光照射a)金和b)hbn圆盘的稳态温度和速度场分布云图和流线图。
具体实施方式
51.本发明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；
52.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。
53.本发明所述纳米结构特征尺寸(长、宽、高、直径、周期等)范围为10nm～10000nm；材料组成可以为单一材料，也可以为多材料组分组成；排列方式可以是周期性或非周期性。
54.在本发明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％，优选为2～8％，进一步优选为4～6％；单色激光的功率密度为0.00001～10w/μm2，优选为0.1～8w/μm2，进一步优选为2～6w/μm2；照射时间为1～300分钟，优选为50～250分钟，进一步优选为100～200分钟。
55.在本发明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％，优选为2～8％，进一步优选为4～6％；
56.所述基底包含金属或陶瓷；所述旋涂的速度为100～1000转/分钟，优选为200～800转/分钟，进一步优选为400～600转/分钟；旋涂时间为1～10秒，优选为4～7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，优选为100～900纳米，进一步优选为300～600纳米；所述单色激光的功率密度为0.00001～10w/μm2，优选为0.1～8w/μm2，进一步优选为2～6w/μm2；照射时间为1～300分钟，优选为50～250分钟，进一步优选为100～200分钟。
57.在本发明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，优选为0.1～8w/μm2，进一步优选为2～6w/μm2；照射时间为1～300分钟，优选为50～250分钟，进一步优选为100～200分钟；其中纳米结构的形貌、尺寸、组成和排列方式可以调节其声子极化激元共振波长和模式。
58.在本发明方法四中球磨时间为1～10小时，优选为3～7小时，球磨速度为100～1000转/分钟，优选为300～600转/分钟；球磨介质为钢球或陶瓷球；热压温度为200～800摄氏度，优选为400～600摄氏度；压力为10～100mpa，优选为30～70mpa；保压时间为1～10分钟，优选为4～7分钟；真空度为10-6
～105pa，优选为10-4
～103pa，进一步优选为10-2
～101pa；单色激光的功率密度为0.00001～10w/μm2，优选为0.1～8w/μm2，进一步优选为2～6w/μm2；照射时间为1～300分钟，优选为50～250分钟，进一步优选为100～200分钟。
59.本发明所述球磨法在真空中进行能够防止粉末在空气中氧化或吸湿，避免影响球
磨的效果和产物的质量。
60.下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
61.实施例1
62.悬空(不带基底)但具有特定纳米结构的光控纳米热源
63.单一悬空氮化硼纳米棒的双曲声子极化激元介导光控热源：
64.将购买的氮化硼粉体通过机械剥离得到具有不同厚度和尺寸的氮化硼薄膜样品，在光学显微镜下根据光学衬度选择厚度约为100nm的薄膜样品并标记，用afm进一步确定其厚度值并挑选出所需厚度的氮化硼薄膜样品；
65.将厚度100nm的氮化硼纳米薄膜通过电子束刻蚀(ebl)或者聚焦离子束刻蚀(fib)制备成长为720nm，直径为100nm的纳米棒；
66.将该纳米棒对准转移到悬空基底上，用单色共振激光照射该悬空纳米棒，即得光控热源。如图1所示，采用hbn纳米棒fabry-perot偶极共振的频率激光去激发，即最大吸收峰值处，频率为1400cm-1
，约7.14μm。
67.对本实施例所得单一悬空氮化硼纳米棒的双曲声子极化激元介导光控热源与金等离激元纳米棒加热原理和效果进行对比，结果如图1和图2。
68.由图1可知，声子极化激元介导六方氮化硼纳米棒(hbnnr)产热性能：a)长为720nm，直径为100nm的hbnnr的吸收产热光谱，其不同吸收增强峰值源于由双曲声子极化激元在帮内来回振荡所产生的fabry-perot共振模式；偶极共振模式下对应的局部电场、电流密度、热流密度和最终稳态温度的b)二维场分布和c)三维表面分布。
69.由图2可知，a)hbnnr长度对其吸收产热效率谱的调控作用；b)对应不同长度下的局部电场和热流密度分布；c)直径和管长均为100nm的金纳米棒的吸收产热效率谱，插图表示对应局部电场、电流密度和热流密度分布；d)相同亚波长尺寸下金纳米棒和hbn纳米棒的温升随入射光强度的变化趋势。
70.实施例2
71.在基底上具有周期性图案的纳米结构
72.将购买的氮化硼粉体通过机械剥离得到具有不同厚度和尺寸的氮化硼薄膜样品，在光学显微镜下根据光学衬度选择厚度约为100nm的薄膜样品并标记，用afm进一步确定其厚度值并挑选出所需厚度的氮化硼薄膜样品；
73.将厚度为100nm的氮化硼纳米薄膜通过电子束刻蚀(ebl)或者聚焦离子束刻蚀(fib)制备成长宽均为400nm，高为100nm，周期为750nm的周期性图案；
74.用共振单色激光照射该周期性图案样品，即得光控热源。如图3所示，照射au纳米结构的波长是450nm，照射hbn纳米结构的波长是6.98μm，即1432cm-1
。
75.在基底介质分布有周期性图案化的等离激元金纳米结构和氮化硼纳米结构，分别用其极化激元共振单色激光激发该结构，对比分析其产热功率和热流密度分布，结果如图3所示。
76.由图3可知，基底上相同尺寸的周期性图案化金和氮化硼纳米结构在共振激发下的光致产热效果：周期性金散射体的a)热流密度分布，b)总产热功率谱；以及周期性图案化氮化硼散射体的c)热流密度分布，d)总产热功率谱。对比a)和c)可以看出，氮化硼周期性纳
米结构的最高局部热功率密度(5.41e17wm-3
)比金周期性纳米结构(3.81e16wm-3
)高约14倍；而对比图b和d，共振条件下，氮化硼的总峰值产热功率(0.01w)是金(1.2e-4w)约8倍。
77.实施例3
78.基底上具有特定纳米结构的单一纳米热源
79.将购买的氮化硼粉体通过机械剥离得到具有不同厚度和尺寸的氮化硼薄膜样品，在光学显微镜下根据光学衬度选择厚度约为200nm的薄膜样品并标记，用afm进一步确定其厚度值并挑选出所需厚度的氮化硼薄膜样品；
80.将厚度为200nm的氮化硼纳米薄膜通过电子束刻蚀(ebl)或者聚焦离子束刻蚀(fib)制备成直径为2μm，高为200nm的纳米圆盘结构；
81.将该样品置于装满水的圆柱体微腔底部，并用共振单色激光照射该纳米圆盘结构，即得光控纳米热源，通过控制其温升来控制其周边诱导的流体流动状态。
82.如图5所示，照射au纳米圆盘的激光波长为650nm，照射hbn圆盘的激光波长为7.236μm，也就是13821cm-1
。
83.相同尺寸的氮化硼和金圆盘置于微腔底部，用同强度的共振单色激光分别激发两个圆盘，对比分析其光控产热和由此诱导的微流体流动效果，结果如图4和图5所示。
84.对于相同的置于圆柱体微腔底部的圆盘纳米结构，圆柱体微腔尺寸底部半径为10μm，高为10μm，而纳米圆盘的直径为2μm，高为200nm,如图5中a和b所示为相同条件下金圆盘和六方氮化硼(hbn)圆盘极化激元产热和诱导流体流动的效果。
85.图5中a和b分别为相同光照强度(0.23mwμm-2
)下共振激光照射金和hbn圆盘的瞬态温度和诱导流体流动速度的分布趋势及对应稳态温度和速度场分布云图和流线图。从图中可以看出，当共振激光具有相同光照强度时，由于hbn圆盘声子极化激元介导的更强光场局域和光吸收作用，其产生的稳态温度比金圆盘高74k，从而使得其诱导的最高稳态流体流动速度比金圆盘高～21倍。
86.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
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期性性或非周期性性的纳米结构；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进行照射，得到光控纳米热源；方法四，基于球磨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；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。5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，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。6.根据权利要求4所述方法，其特征在于，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％；
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。7.根据权利要求4所述方法，其特征在于，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。8.根据权利要求4所述方法，其特征在于，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。

技术总结
本发明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。


技术研发人员：戴庆 杨贝
受保护的技术使用者：国家纳米科学中心
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/9/16