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贵金属纳米颗粒的局域表面等离激元共振特性研究

作　者: 丛超
导　师: 刘晓峻
学　校: 南京大学
专　业: 声学
关键词: 局域表面等离激元共振贵金属纳米颗粒 Mie散射理论时域有限差分方法等离激元杂化
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来,随着纳米技术的迅猛发展,人们对纳米材料的认识及研究也取得了长足的进步。其中,以金、银、铜为代表的贵金属纳米颗粒,由于具有优良的物理和化学性质,从而被广泛地应用于生物医学、光电子学等领域。贵金属纳米颗粒的近场和远场特征主要源自于颗粒的局域表面等离激元共振。研究表明,贵金属纳米颗粒的局域表面等离激元共振特性将受到颗粒大小、几何结构、介电性能以及周围的物理环境等等因素的影响。此外,贵金属纳米颗粒周围较大的近场增强也使其在非线性光学、扫描近场光学显微镜以及表面增强拉曼散射等方面都有着广泛应用。本论文以三种贵金属纳米结构为研究对象(银纳米球壳、椭圆截面金纳米管、二金属三层同心纳米管),分别应用Mie散射理论和时域有限差分方法研究了颗粒的局域表面等离激元共振特性,讨论了结构变化对颗粒等离激元共振特性的影响,并对研究结果的物理内涵进行了详细的阐述分析。主要的研究内容及结果如下：一、应用Mie散射理论研究了银纳米球壳颗粒的几何结构变化及包埋介质对其远场吸收的影响。研究发现,银纳米球壳壳厚度变大将使其共振峰蓝移,内核变大将使共振峰红移。内核或包埋介电常数的增大均会使得银纳米球壳的吸收峰红移。应用极化电荷、自由电子及振荡电荷的竞争机制对上述变化特征进行了解释。二、提出了一种全新的椭圆截面的金纳米管结构,并应用FDTD模拟的方法研究了形状变化、电场偏振方向变化、管壁厚度变化及内核和包埋介质变化对其局域表面等离激元共振特性的影响。研究发现,当椭圆半长轴不变,半短轴减小会使得消光峰发生明显红移；而入射电场偏振方向与椭圆长轴夹角变大会导致消光峰红移。管壁厚度变薄将导致颗粒等离激元共振峰迅速红移,内核介质介电常数的增大将使得消光峰红移。研究还发现,颗粒的等离激元共振同样依赖于周围环境,并随着包埋介质介电常数的增大产生较大红移。因此,该结构可以很好的应用于环境及生物组织的检测。与此同时,还应用FDTD模拟的方法研究了椭圆截面金纳米管的近场分布特征。入射光波长为共振波长时颗粒的近场增强最大；半短轴变大使得纳米管的场强分布从两端高、中间低变化为均匀分布；入射电场偏振方向与椭圆长轴夹角的增加导致管内的场强迅速增大；内核和包埋介质介电常数的增大均会使得纳米管内部及周围场强大小逐渐变小。三、应用FDTD模拟的方法计算了SiO2-Ag-Au和SiO2-Au-Ag两种二金属三层纳米管的消光光谱,并对其局域表面等离激元共振特性进行了研究。研究发现,内核尺寸变大将会使两种纳米管的LSPR峰位均产生红移；内层金属及外层金属的壳层厚度变大均会使两种纳米管的LSPR峰位产生蓝移。同时,发现银壳厚度变化对纳米管水溶液LSPR的调制作用大于金壳厚度变化带来的影响。

全文目录

中文摘要  2-4
Abstract  4-7
目录  7-10
第一章绪论  10-17
  1.1 纳米科技简介  10-11
  1.2 纳米材料  11-13
    1.2.1 纳米材料的分类  11-12
    1.2.2 纳米效应  12-13
  1.3 贵金属纳米颗粒的光学特性  13-14
  1.4 本论文的立题依据  14-17
    1.4.1 本论文的研究目的和意义  15
    1.4.2 本论文的研究内容  15-17
第二章银纳米球壳颗粒的光学吸收特性  17-30
  2.1 引言  17
  2.2 纳米球壳模型和计算方法  17-22
    2.2.1 金和银的介电函数  18-20
    2.2.2 Mie散射理论  20-21
    2.2.3 纳米球壳的等离激元杂化模型  21-22
  2.3 Mie理论计算结果和讨论  22-28
    2.3.1 金纳米球壳和银纳米球壳的消光、散射、吸收光谱  22-23
    2.3.2 壳层厚度和尺寸变化对银纳米球壳吸收光谱的影响  23-26
    2.3.3 内核介质变化对银纳米球壳吸收光谱的影响  26-27
    2.3.4 包埋介质变化对银纳米球壳吸收光谱的影响  27-28
  2.4 本章小结  28-30
第三章椭圆截面金纳米管的局域表面等离激元共振研究  30-46
  3.1 引言  30
  3.2 模型及计算方法  30-33
  3.3 椭圆截面金纳米管的远场特征光谱  33-37
    3.3.1 纳米管形状对消光光谱的影响  33-34
    3.3.2 夹角θ对消光光谱的影响  34-35
    3.3.3 管壁厚度对消光光谱的影响  35-36
    3.3.4 内核介电常数及包埋介电常数对消光光谱的影响  36-37
  3.4 椭圆截面金纳米管的近场分布特征  37-44
    3.4.1 入射光波长对近场的影响  37-39
    3.4.2 x和y方向的近场分布特征  39
    3.4.3 纳米管形状对近场的影响  39-41
    3.4.4 夹角θ对近场的影响  41-42
    3.4.5 管壁厚度对近场的影响  42-43
    3.4.6 内核介质和包埋介质介电常数对近场的影响  43-44
  3.5 本章小结  44-46
第四章二金属金银三层纳米管局域表面等离激元共振特性  46-54
  4.1 引言  46
  4.2 二金属三层同心纳米管模型  46-47
  4.3 二金属三层同心纳米管的远场光谱特征  47-53
    4.3.1 SiO_2-Ag-Au纳米管  47-50
    4.3.2 SiO_2-Au-Ag纳米管  50-53
  4.4 本章小结  53-54
第五章总结与展望  54-57
  5.1 工作的总结与讨论  54-55
  5.2 存在的问题和下一步的研究方向  55-57
参考文献  57-63
攻读硕士学位期间完成的论文  63-64
致谢  64-65

贵金属纳米颗粒的局域表面等离激元共振特性研究

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