金和银纳米粒子二维周期阵列的光学性质

本文利用离散点偶极子近似方法(DDA)研究了金和银纳米粒子二维周期阵列的光学性质。研究结果表明二维周期阵列的消光性质及其表面等离子共振(SPR)波长受到阵列内粒子组成材料、粒子形状尺寸、阵列周期和阵列排布方式等因素的影响。对于二维正方阵列,当周期较小时(一般小于300 nm),阵列的共振波长主要取决于粒子组成材料和形状尺寸;当周期与阵列单体的共振波长附近时,阵列的消光谱中会出现极窄且锐的SPR共振峰,峰位只与阵列的周期值相关。改变阵列在平行和垂直于入射光偏振方向的周期,可以方便地调节二维长方阵列的共振峰的峰位和峰宽。     

菱形金属纳米粒子光学性质的研究

金属纳米粒子的光学性质与金属纳米粒子的组成、形状、尺寸及周围的介电常数有关。利用时域有限差分法研究菱形纳米粒子的尺寸与其消光特性关系, 发现粒子尺寸的大小对其消光谱共振峰有较大影响, 随着粒子尺寸的增大, 消光谱共振峰可分裂成两个或多个共振峰。而且在可见光范围内波长大于480 nm的区域, 表面等离子体共振峰是偶极子激发模式; 而在波长小于480 nm的区域, 共振模式则比较复杂, 有偶极子模式, 也有多极子模式。计算表明, 波长为480~ 600 nm区间与波长大于600 nm的区间, 菱形纳米粒子的尺寸对消光光谱的峰值和谱线宽度影响不同。在波长为480~600 nm之间, 短轴为140 nm时, 其消光效率最高。     

银纳米颗粒及阵列光传输性质的理论研究

纳米颗粒及其阵列结构的光学性能与颗粒本身的表面等离子体共振及周期结构参数密切相关.本文根据Mie散射理论和多极子振荡理论,研究了光在银球型纳米颗粒及阵列中的传输性质.对于单个纳米颗粒,当颗粒半径小于50 nm时,消光峰由电偶极子共振产生;当半径大于50 nm时,除电偶极子振荡产生的消光峰外,在短波处将出现由电四极子共振产生的消光峰,且两种极子的共振频率随颗粒半径的增加而减小.由电偶极子共振产生的消光峰位置的理论计算结果与实验结果相符合.对于由球形颗粒组成的无限大二维周期阵列,消光峰主要由单个颗粒产生的消光峰和Wood-Rayleigh反常衍射造成的消光峰组成.通过控制纳米颗粒的尺寸、形状以及阵列的周期、排列方式,可以调节两种极子的共振峰位.本文的结果将对设计具有特定光学性能的纳米结构产生重要的实际意义.     

金纳米环双体尺寸和耦合效应对表面等离子体共振特性的影响

采用离散偶极子近似方法系统地研究了金纳米环双体的消光光谱及其电场分布. 计算结果表明, 金纳米环双体在耦合作用下的共振消光峰对应着不同振动模式, 改变金纳米环双体的排列方式、 间距和尺寸大小, 其表面等离子体共振消光峰发生红移或蓝移. 因此可以通过对金纳米环双体结构参数和排列方式的设定, 调节其表面等离子体共振消光峰的位置. 电场分布表明, 水平排列的金纳米环双体较单个金纳米环产生更强的局部表面增强电场. 适当的小间距, 较大的内外半径的金纳米环水平阵列更适合做表面增强拉曼散射的衬底, 在生物分子检测等领域具有潜在的应用.     

内嵌圆饼空心方形银纳米结构的光学性质

采用离散偶极子近似方法计算了内嵌圆饼空心方形银纳米结构的消光光谱以及其近场的电场强度分布,并进一步与空心方形纳米结构的消光光谱和表面电场做比较.结果表明,在耦合作用下内嵌圆饼空心方形银纳米结构不仅产生了新的共振模式,而且新的共振模式在传统表面增强拉曼散射的激发波长范围内,进而可以弥补由于实验上运用纳米切片法所制备的空心方形纳米结构尺寸较大导致其共振吸收峰在远红外波长范围的不足.此外,可以通过改变内嵌圆饼空心方形银纳米结构的形貌参数调节其表面等离子体共振峰的共振波长,以满足在表面增强拉曼散射、生物分子或化学分子探测上的应用.     

金属/石墨烯复合纳米阵列结构LSPR特性

利用离散偶极近似(Discrete Dipole Approximation,DDA)方法系统研究金属/石墨烯复合纳米阵列的消光特性,考察金属基底和石墨烯纳米阵列尺寸对局域表面等离子体共振峰位和强度的影响,以及研究不同基底厚度比条件下纳米复合阵列的电场分布、规律和物理本质。仿真结果表明,当保持金属基底厚度不变时,Ag/Au/石墨烯复合纳米阵列的局域表面等离子体共振峰随石墨烯原子层数的增大而增大,共振波长发生微小红移;当保持八根石墨烯层柱和银基底厚度不变时,随金银厚度比的增大,消光光谱发生蓝移;Ag/Au/石墨烯复合纳米阵列银层表面的电场强度为最强,石墨烯纳米棒阵列的电场强度较强。     

非对称银纳米双环表面等离激元光谱特性

贵金属纳米材料在入射光激发下能够产生表面等离激元,即金属表面自由电子产生集体振荡。当其振荡频率与入射光频率相同时,发生表面等离激元共振,形成一种特殊的电磁场模式和光谱特性。利用该电磁场模式和光谱特性, 能够调节金属纳米材料的光谱学行为,例如通过改变金属纳米结构的大小、形状以及周围介质介电常数等参数, 在微纳尺度上实现光谱学信号的有效调控。目前,除了具有一定对称性的贵金属纳米材料被大量研究和应用外,非对称纳米结构的表面等离激元光谱特性也受到广泛关注。研究表明,在可见-近红外波段光谱范围内设计表面等离激元光电传感器件的关键问题在于,如何有效地调节其消光谱的共振波长、半峰宽以及峰值强度等主要特征参数。提出一种基于银纳米双环组成的非对称结构,利用时域有限差分方法,在可见-近红外波段内,通过分别改变银纳米双环的尺寸、间距及入射光偏振方向等参数,计算了该纳米结构在不同条件下的消光谱。结果表明,在0.4～3 μm的消光谱内,入射光能够激发产生两个独立的表面等离激元共振峰。通过研究峰值波长处的电场分布图发现,上述共振峰分别对应两种不同的电磁场模式。结果还表明,消光谱内两个独立的共振峰可以通过改变该双环结构的不同参数,被分别地进行调节。其中,可以通过改变该双环结构的半径来有效调节短波长峰的共振波长和半峰宽,同时保持长波长峰的共振波长和半峰宽基本不变。此外,通过改变两环间距或入射光偏振方向,可以分别以不同趋势来调节两个共振峰的峰值强度。在提出的非对称银纳米双环的消光谱中,获得了能够被分别调节的两个表面等离激元共振峰,研究结果能够为可见-近红外波段内基于银纳米材料光电传感器件的开发设计提供理论基础。     

偏振方向及结构间耦合作用对空心方形银纳米结构表面等离子体共振的影响

空心方形纳米结构能够激发更大面积的增强电场,故其可以作为衬底用于表面增强拉曼散射.应用离散偶极子近似算法研究了空心方形银纳米结构的消光光谱及其近场电场分布与入射光偏振方向之间的关系.研究表明,空心方形银纳米结构的表面等离子体共振峰不随入射光偏振方向的改变而移动,但是其表面增强电场分布却强烈地依赖于入射光的偏振方向.另外,还讨论了空心方形银纳米结构间的耦合作用对其表面等离子体共振模式的影响.结果发现,可以通过调节结构间的距离来改变结构间的耦合作用,同时改变了表面等离子体共振峰的位置.这些结果将为理解闭合纳米 关键词： 空心方形银纳米结构 表面等离子体 偏振 电场耦合     

银纳米粒子阵列中衍射诱导高品质因子的四偶极晶格等离子体模式

金属纳米颗粒阵列中形成的四偶极晶格共振模式具有低辐射损耗、高品质因子的特性,因此广泛应用于纳米激光、传感、固态照明等领域.基于时域有限差分法在均匀环境下研究了银纳米圆柱阵列的光谱与近场特性.研究结果表明,在x偏振光直入射下,通过调节阵列x方向的周期,共振强度先增加后降低,当两个方向上的周期相等时,提出的阵列结构能够产生一个线宽约0.4 nm、品质因子高达1815的四偶极晶格共振模式,这种共振模式呈现出Fano线型的透射谷;调控y方向的周期能够实现从Fano线型的透射峰到透射谷的转变.本文说明了粒子大小、晶格周期对四偶极晶格共振模式的重要性,同时为银纳米颗粒在可见光波段设计高品质因子共振提供了优化策略.     

银纳米棒光学性质的离散偶极近似计算

利用离散偶极近似 (Discretedipoleapproximation ,简称DDA)的方法 ,从理论上对粒子的形状、尺寸及周围介质等因素对银纳米粒子 ,特别是银纳米棒的光学性质的影响进行了较系统的研究 .计算表明 ,置于空气中的棒状银纳米粒子的光学性质与其形状密切相关 ,纵向表面等离子体共振吸收峰的位置随纳米棒长径比的增加呈现线性红移关系 .给出了空气中银纳米棒纵向表面等离子体共振吸收峰的位置随长径比变化的DDA拟合公式 .如果将金属纳米粒子置于折射率更高的介电环境中 ,其纵向等离子体共振吸收峰的位置进一步呈现线性红移关系 .合成的银纳米粒子的TEM图像及相关的UV VIS消光光谱显示DDA计算结果与实验值相当一致 .DDA算法与Mie′s理论在计算球状银纳米粒子的消光系数时给出很接近的结果 ,这表明用DDA的方法来分析银的光学性质是准确可靠的 ;而DDA算法对银纳米棒消光特性的成功拟合则表明 ,该算法相对Gans′理论而言 ,在研究纳米粒子的光学性质时具有更广的适用性及更高的准确性 .     

Optical extinction spectroscopy of single silver nanoparticles

The extinction spectrum of single silver nanoparticles with size ranging from 20 to 80 nm is investigated with the spatial modulation spectroscopy technique using either a tunable laser or a white lamp as the broadband source. Results are in good agreement with the prediction of the Mie theory, permitting to extract the nanoparticle size from the measured absolute value of the optical extinction cross-section. In contrast, the deduced refractive index of the nanoparticle environment and the reduction of the electron mean free path show a large dependence on the precise value of the bulk silver dielectric function.     

多层金属纳米点阵的制备及其光学性质的研究

采用纳米球刻蚀法结合热蒸发技术制备了银和氧化硅交替层叠的纳米颗粒阵列. 扫描隧道显微镜测量结果表明, 该纳米阵列呈锥形多层结构. 分光光度计测量样品表明, 该纳米阵列在近红外波段存在明显的透射谷, 该透射谷来源于金属纳米颗粒局域等离激元的激发, 随着金属/介质层数的增多, 透射谷的位置向短波方向移动. 利用HFSS软件对该纳米阵列进行了仿真, 并分析了透射谷蓝移的原因. 关键词： 纳米球刻蚀技术 金属/介质纳米颗粒 表面等离子激元     

Morphology of supported silver nanoparticles characterized by?optical and thermal desorption spectroscopy

Silver nanoparticles grown on a quartz substrate are investigated with optical and thermal desorption spectroscopy (TDS). Detailed information on the nanoparticle morphology is gained with new methods of data analysis. First, fitting the extinction spectra, using a comprehensive model, allows an estimation of the effective particle–particle distance. Second, the total surface area of the particles is determined with TDS of xenon. Third, the dependence of the plasmon resonance position on the amount of adsorbed xenon or benzene is used as a measure of the average particle size. The results for these three parameters, which are critical for potential applications of nanoparticle arrays, are shown to be mutually consistent. The methods demonstrated here are complementary to scanning probe techniques which characterize the particle morphology on a microscopic length scale.     

金属纳米颗粒LSPR光纤生物传感DDA方法研究

研究了金属纳米颗粒的局部表面等离子体共振(LSPR)行为,并讨论了其在光纤生物传感领域的应用.采用离散偶极近似(DDA)的方法,从理论上分析了金属纳米颗粒的尺寸、形状对其传感灵敏度的影响.计算结果显示,金属纳米颗粒的等离子共振吸收峰同时受到颗粒尺寸和形状的影响,但形状对其传感灵敏度的影响最为明显,计算结果与实验数据能较好地吻合.     

Analysis of metallic nanoparticles embedded in thin film semiconductors for optoelectronic applications

This paper reports about a study of the local plasmonic resonance (LSPR) produced by metal nanoparticles embedded in a dielectric or semiconductor matrix. It is presented an analysis of the LSPR for different nanoparticle metals, shapes, and embedding media composition. Metals of interest for nanoparticle composition are Aluminum and Gold. Shapes of interest are nanospheres and nanotriangles. We study in this work the optical properties of metal nanoparticles diluted in water or embedded in amorphous silicon, ITO and ZnO as a function of size, aspect-ratio and metal type. Following the analysis based on the exact solution of the Mie theory and DDSCAT numerical simulations, it is presented a comparison with experimental measurements realized with arrays of metal nanospheres. Simulations are also compared with the LSPR produced by gold nanotriangles (Au NTs) that were chemically produced and characterized by microscope and optical measurements.     

二氧化钒纳米点阵红外光学特性研究

针对二氧化钒纳米点阵从半导体到金属的可逆相变,考虑到点阵中各个点之间散射光的交互作用,基于VO2在不同温度和波长下的折射率和消光系数,以及小颗粒的吸收和散射特性,建立了VO2纳米颗粒的数学模型,研究了VO2纳米颗粒的相变光学特性.结果表明,随着波长变化,吸收截面相对散射截面占主导,金属相在980 nm附近出现吸收峰值|随着温度变化,可见光区域的消光系数变化较小,而红外区域较大,其中在近红外区域的消光系数变化最大.在纳米点阵中,消光截面随着颗粒间距变化,当颗粒间距增大时,消光峰值出现红移,且峰值大小也会随之增大|当间距超过一定数值后,峰值反而会逐渐减小.采用多孔氧化铝掩模的方法,通过磁控反应溅射制备VO2纳米点阵,测试结果表明其透过率比薄膜的透过率高.     

Study on optical properties of aggregated ultra-small metal nanoparticles

We study the optical properties of dimer and septamer aggregates (in forms of being separated or merged) of ultra-small silver nanoparticles (a few nanometers in diameter) by calculating their extinction spectra and optical field distributions using the discrete dipole approximation method. Characteristics of their extinction spectra are identified due to different resonance modes dependent on the incidence states of light. Specifically, as polarization of the incidence light is perpendicular to the center-to-center lines of the nanoparticles, interaction of neighboring nanoparticles is in the “repulsive coupling mode”, which results in blue-shift of the resonance peak with decrease of the nanoparticle interspacing. While, whenever there is a projection of the polarization of incident light on the center-to-center lines of the nanoparticles, the “attractive coupling mode” between the nanoparticles dominates in their resonant interaction, which results in red-shift of the resonance peak with decrease of the nanoparticle interspacing. It is also shown that optical interaction of the ultra-small nanoparticles is only effective when their interspacings are approximately less than 15 nm, and particularly prominent when Coulomb interactions of the electronic charges of plasmons are active within a few nanometers.