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金属纳米粒子局域电磁增强的数值模拟研究

作　者: 段建民
导　师: 陈茂笃
学　校: 大连理工大学
专　业: 光学
关键词: 表面增强拉曼散射表面等离子体激元共振时域有限差分法纳米粒子阵列
分类号: O437.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

表面增强拉曼散射光谱的发现及应用,为探测吸附在金属表面的分子的结构信息提供了有力的工具。作为表面增强拉曼散射基底的金属纳米粒子的作用至关重要,制备出合适的形状、尺寸以及排列结构的纳米粒子,能够提高拉曼散射信号的灵敏度,更好地探测分子结构信息。纳米尺度下的金属粒子,在有外电场激励的情况下,能诱导产生表面等离子体激元共振,在表面附近产生局域化的电磁增强。该机理解释了表面增强拉曼散射光谱信号的物理增强。金属纳米粒子的高度局域化的电磁增强在生物传感器、纳米级集成光学器件、近场光学和纳米光子学等领域都有着重要应用。本文主要研究了两种结构的纳米粒子在外电场激励下的局域电磁增强:(1)应用频域的有限元法,对由不同材料组成(银/金)和在不同周围环境(空气/水)下的圆锥形探针尖端处的电磁增强特性进行了数值模拟研究。结果表明:相对银的共振峰位,金的共振峰出现在长波的方向;增加探针的长度和改变周围环境属性从空气到水,共振峰“红移”;在入射波长小于600纳米的情况下,银的增强效果较好,大于700纳米,情况相反。此结果对由尖诱导产生电磁增强的光谱分析,具有一定的指导意义。(2)应用时域有限差分方法,研究了在可见光-红外波段球形银纳米粒子阵列在平面光照射下的局域电磁增强。不仅研究了粒子与粒子之间的耦合相互作用,还研究了粒子对与粒子对之间的耦合相互作用。重点研究入射波长、粒子半径和阵列中的粒子数目对局域电磁增强的影响。电磁增强出现在粒子表面附近,不论有几对粒子,电磁增强最大值总是出现在倒数第二对粒子之间。随着入射光波长变长,纳米粒子表面的电磁场显著增强,并且纳米粒子的共振半径随之增大。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
引言  9-11
1 表面增强拉曼散射  11-18
  1.1 拉曼散射原理  11-14
    1.1.1 拉曼散射的经典模型  12-13
    1.1.2 拉曼散射的量子模型  13-14
  1.2 SERS的发现  14
  1.3 SERS的特点  14-15
  1.4 SERS机理研究  15-16
  1.5 SERS与纳米材料  16-18
2 金属表面电磁增强分析  18-34
  2.1 金属块状材料的光学性质  18-24
  2.2 金属表面等离子体共振(SPR)  24-31
    2.2.1 SPR发展历史及应用  24
    2.2.2 SPR基本原理  24-26
    2.2.3 表面等离子体激元  26-28
    2.2.4 金属纳米粒子的局域表面等离子体共振  28
    2.2.5 偶极等离子体共振和四极等离子体共振  28-31
  2.3 SPR理论模拟方法  31-34
    2.3.1 时域有限差分法  31
    2.3.2 有限元法  31-32
    2.3.3 矩量法  32
    2.3.4 多重多极子法  32
    2.3.5 格林函数方法  32-34
3 金属尖的局域电磁增强分析  34-38
  3.1 计算方法(有限元法)  34-35
  3.2 计算模型  35
  3.3 计算结果与讨论  35-37
  3.4 本章小结  37-38
4 金属球阵列的局域电磁增强分析  38-48
  4.1 计算方法(时域有限差分法)  38-42
  4.2 计算模型  42-43
  4.3 计算结果与讨论  43-47
  4.4 本章小结  47-48
结论  48-49
参考文献  49-52
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  52-53
致谢  53-54

金属纳米粒子局域电磁增强的数值模拟研究

内容摘要

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