金属纳米颗粒的形状对表面等离子体共振特性的调制研究

论文摘要

金属纳米粒子的光学性质及其在表面增强拉曼散射效应中的应用是当今纳米科学研究中的一个热点。金属纳米粒子不同于块体材料,由于纳米材料本身的特殊结构导致其具有很多特殊效应:量子尺寸效应、小尺寸效应和表面效应等,这些基本性质使金属纳米粒子具备了独特的光学性质—表面等离子体共振。通过控制金属纳米粒子的尺寸、形貌和结构,可调节其表面等离子体共振峰位,使其在众多领域具有广泛的应用前景。本论文工作的中心是从理论上定量研究非球形金属纳米粒子及其阵列的线性光学性质,并研究粒子的形状、尺寸及介电环境等因素对光学性质的影响,进而探讨与此密切相关的表面增强拉曼散射效应中的电磁场增强机理。主要内容包括以下三方面:1.基于金属纳米颗粒的表面等离子体共振特性,借助三维时域有限差分法研究了带有纳米孔阵列的金膜的传输特性,并研究了阵列周期和纳米孔的形状对其传输效率的影响,研究结果表明这种特殊的传输效应主要是由局部波导效应和表面等离子体共振效应引起的,为滤波器的研究设计提供了条件。2.借助三维时域有限差分法研究了菱形和十字星型及其阵列的光学性质,以及粒子尺寸、形状,周围介电环境及阵列周期对其光学性质的影响,并总结出其变化规律。3.借助三维时域有限差分法,计算了纳米粒子的表面电场分布及最大电场增强因子,考虑到粒子大小、形状、相互耦合等因素对表面增强拉曼散射增强的影响,并探讨了近来年受到特别关注的纳米粒子聚合体中那些具有特别高表面增强拉曼散射增强因子的“热点”问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 纳米粒子的特点及应用
• 1.3 金属纳米粒子光学性质的理论研究及其进展
• 1.4 论文主要工作
• 第二章 金属纳米粒子光学性质的理论研究及表面增强拉曼散射原理
• 2.1 金属纳米粒子光学性质的理论基础
• 2.2 金属纳米粒子介电常数的理论处理
• 2.2.1 介电常数的导出
• 2.2.2 纳米尺度的金属纳米粒子介电常数的修正
• 2.3 研究金属纳米粒子光学性质的主要理论方法
• 2.3.1 Mie 理论（单一组分球状纳米粒子的光学性质）
• 2.3.2 Gans 理论（纳米椭球的光学性质）
• 2.3.3 时域有限差分法（FDTD）
• 2.4 表面增强拉曼散射（SERS）技术
• 2.4.1 表面增强拉曼光谱学的研究现状与进展
• 2.4.2 SERS 的机理分析及进展
• 2.4.3 金属材料表面等离子体激元共振的光学激发
• 第三章 不同形状金属纳米粒子的光学性质
• 3.1 纳米椭球孔阵列（ellipsoid nanohole arrays）的特殊光学性质
• 3.1.1 数值模拟结果及其分析
• 3.2 菱形和十字星型银纳米粒子的光学性质
• 3.2.1 单个菱形银纳米粒子的数值模拟结果和分析
• 3.2.2 单个十字星型银纳米粒子的光学性质
• 3.2.3 菱形和十字星型银纳米粒子阵列的数值模拟结果和分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 纳米粒子的表面电磁场增强及 SPR 对 SERS 的贡献
• 4.1 表面电磁场增强及SPR 对SERS 影响的理论分析
• 4.2 单个金属纳米粒子的电磁场增强及其分布
• 4.2.1 单个菱形银纳米粒子的电磁场增强及其分布
• 4.2.2 单个十字星型银纳米粒子的电磁场增强及其分布
• 4.3 金属纳米粒子阵列的电磁场增强及分布
• 4.4 本章小结
• 第五章 总 结
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果