金属纳米颗粒光学性质的离散偶极近似计算

采用离散偶极子近似(DDA)方法,研究了单体银纳米粒子和银纳米粒子阵列的光谱特性。研究结果发现,单体银纳米粒子的表面等离子体共振消光峰的位置随着周围介质折射率和粒子尺寸的增大逐渐红移,并且消光光谱的峰宽也越来越大。当银纳米粒子正方阵列的周期接近单体的共振波长时,阵列的消光光谱中会出现尖锐的共振峰,改变粒子尺寸的大小可以发现消光光谱中共振峰的峰值和位置有大幅度地改变,通过改变阵列在平行和垂直于入射光偏振方向上的周期,可以调节二维长方阵列共振峰的峰宽和峰位。该研究为纳米粒子在光学显微镜、生物传感元件、数据存储等领域中的应用提供有效地理论参考。     

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。     

金属复合纳米粒子的局域表面等离子体特性研究

提出了一种在银层上面覆盖一层金的四棱台复合纳米结构。采用离散偶极子近似(DDA)方法,针对光激发复合金属纳米粒子的局域表面等离子体共振(LSPR)进行研究,讨论了四棱台纳米粒子金银复合结构在不同尺寸、不同混合比等条件下的消光特性及折射率灵敏度。计算结果显示,在银层厚度为50 nm的四棱台纳米粒子上覆盖金层,其折射率灵敏度不变。同时,四棱台银纳米粒子厚度的增加会使其消光峰值波长蓝移。金材料比例的增加会使金银复合纳米结构的消光峰值波长红移。当金银复合结构的纳米粒子的厚度大于自由电子的平均自由程时,其局域表面等离子体激发强度不发生变化。     

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.     

消光式核壳二聚体传感器的设计与光谱特性分析

根据ITO/Au纳米核壳二聚体粒子在生物医学领域的应用合理性,设计了一种实时检测生物液体的核壳二聚体探针消光式传感器;由偶极子理论推导出输出波长与外界环境折射率关系;利用MATLAB设计ITO/Au纳米核壳二聚体粒子结构;采用软件DDSCAT7.3结合离散偶极近似法,利用二聚体有效半径模拟计算了300~950nm可见光到红外光波段不同核壳比、二聚体间距、以及不同介质折射率的消光光谱;根据传感芯片折射率与偶极共振、耦合八级共振的响应关系得出ITO/Au二聚体的折射率灵敏特性。与传统Ag/Au核壳纳米粒子相比,ITO/Au纳米核壳二聚体结构引入了可作为传感芯片灵敏性自参考参数的耦合八级共振峰,同时ITO/Au二聚体结构的折射率灵敏度可达到419nm/RIU。这些工作及其结果对制作消光式传感器具有重要的意义。     

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。     

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。     

金纳米环结构的光学性质研究

采用离散偶极子近似方法(DDA)研究了两种不同形状的金纳米环结构的消光光谱及其近电场分布, 研究了等离子体消光峰的红移、蓝移现象及消光系数与结构参数之间的关系, 并与盘状的金纳米结构进行了比较. 在等离子体共振峰波长入射时, 金纳米环结构比金纳米盘结构产生更大的局域增强电场分布, 横截面为圆形的金纳米环结构比横截面为矩形的结构具有更大的局域增强电场分布, 更适合作为表面增强拉曼散射的衬底. 关键词： 离散偶极子近似 金纳米环 金纳米盘 光学性质     

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.     

基于局域表面等离子体共振效应的聚合物波导传感器特性研究

以SU-8光刻胶作为波导芯层材料,设计了基于金纳米粒子的局域表面等离子体共振(LSPR)波导传感器。根据Mie理论,建立了金纳米粒子的消光模型,理论分析了纳米粒子半径、待测物折射率等因素对局域表面等离子体共振曲线的影响。分析表明:当待测液体折射率增大时,LSPR共振峰的位置发生红移。随着金纳米粒子半径的逐渐增大,传感器灵敏度增加。共振吸收峰逐渐由单峰变为双峰,其中一个峰位于520 nm波长附近,主要由表面等离子体吸收造成;另一个峰随金纳米粒子半径的增大而逐渐红移,主要由表面等离子体散射造成。     

半壳结构金纳米膜的局域表面等离子体共振效应

采用纳米模版印刷术和化学自组装技术制备了半壳结构的金粒子膜.利用场发射扫描电子显微镜和光谱仪等测试手段对样品的结构和光学性质进行了分析.研究发现，该结构的金膜所具有独特的局域表面等离子体共振效应取决于样品的粒子大小、间距等微观结构，且其峰值吸收波长对其周围环境介质的介电常数变化十分敏感.实验结果表明，粒子排列均匀的亚单层膜结构是控制光学性质稳定的关键. 关键词： 局域表面等离子体共振 半壳结构 纳米模版印刷术     

Fröhlich resonance in the AsSb/AlGaAs system

The optical absorption in a metal-semiconductor metamaterial based on the AlGaAs matrix has been investigated. The key feature of this material is the presence of random arrays of metallic AsSb nanoinclusions modifying its dielectric properties. It has been shown that the presence of such arrays in the material leads to resonance absorption of light by surface plasmons in AsSb nanoinclusions in the incident photon energy range from 1.37 to 1.77 eV. The experimental spectrum of the extinction coefficient at an energy of 1.48 eV exhibits a resonance peak with the half-width equal to 0.18 eV. The extinction coefficient for AsSb nanoinclusions in the AlGaAs matrix has been calculated in terms of the Mie theory. The calculated spectrum of the extinction coefficient also includes a resonance peak with the energy and half-width equal to 1.48 and 0.18 eV, respectively. The calculated plasma energy for free-standing nanoinclusions in vacuum is 7.38 eV.     

金复合纳米微粒的消光特性

基于Mie光散射理论,研究了金壳介质芯的金复合纳米球壳微粒在光散射与吸收中的消光特性.对微粒增大时的多极子特性以及内半径变动时共振峰的移动作了计算和分析,证实了共振峰位置随内外半径比增大而增大的规律.还对纯金纳米微粒的多极子特性作了计算,并讨论了总消光效率中散射和吸收各自的贡献.     

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.     

Effect of Aspect Ratio Distribution on Localized Surface Plasmon Resonance Extinction Spectrum of Gold Nanorods

Gold nanorods with different aspect ratios are prepared in micells using a seeded growth method. Their extinction spectra are observed with an UV-visible spectrophotometer and analysed theoretically. It is known that there are two plasmon resonance peaks for gold nanorod corresponding to transverse and longitudinal plasmon resonance respectively. Moreover, the longitudinal plasmon resonance peak shifts to long wavelength when we increase the aspect ratio determined from TEM. Especially, we model the extinction spectrum using Gans' theory and compare it with our experimental result. Considering the aspect radios distribution of gold nanorods, it is found that longitudinal plasmon resonance peak will be wider than the nanorods with single aspect ratio, which is consistent with our experimental result. In addition, the effect of dielectric constant of surrounding medium is considered.     

三层材料纳米颗粒形状对消光特性的影响

通过高分辨率电子束光刻方法制备了不同形状的三层复合材料纳米颗粒,研究了这种纳米颗粒的形状变化对消光特性的影响。测试结果表明,当入射波偏振方向平行于短轴时,随着长宽比的增大,共振峰位置发生蓝移;当光源偏振方向平行于长轴时,随着长宽比的增大,共振峰位置发生红移。还用时域有限差分算法以及表面等离波子的Lorentz模型对纳米颗粒的消光特性进行数值计算,所得的消光频谱曲线、共振峰位置变化趋势与实验基本一致。此外,还研究了主体材料层厚度对消光特性的影响,发现其厚度在20～90nm变化时,共振峰发生3～115nm的蓝移。