五边形截面的Ag纳米线局域表面等离子体共振模式

五边形截面的单晶Ag纳米线对ZnO量子点荧光具有增强的现象. 为解释这一现象, 利用时域有限差分法对五边形截面的Ag纳米线的局域表面等离子体共振模式进行了理论模拟. 结果表明, 五边形截面的Ag纳米线在紫外区域存在两个消光峰, 分别由Ag纳米线的横向偶极共振(340 nm)和四极共振(375 nm)引起; 这两个消光峰与ZnO量子点荧光增强峰相一致, 而且随着Ag纳米线的半径增大而红移; 消光峰对应的共振模式取决于Ag纳米线的截面形状; 根据Ag纳米线电场增强倍数与激发光波长变化关系曲线可知, 最大增强电场位于五边形截面的顶点处, 而边线处电场增强较小. 理论模拟的结果较好地解释了Ag纳米线/ZnO量子点体系的荧光增强现象, 也为Ag纳米线在提高半导体材料发光效率、生物探测等方面的应用提供有益的参考.     

催化剂对热蒸发CVD法生长β-Ga2O3纳米材料的结构及发光特性的影响

用热蒸发CVD法制备了β-Ga2O3纳米材料,探讨了Au催化剂对纳米结构和形貌的影响,并研究了其光致发光特性。X射线衍射(XRD)分析显示产物为单斜结构的β-Ga2O3。扫描电子显微镜(SEM)测试表明:Au催化剂颗粒尺寸较小时,制备的产物为尺度均匀的β-Ga2O3纳米线,宽度小于100 nm,长度为几微米至几十微米;增加催化剂颗粒尺寸时,制备出的β-Ga2O3纳米结构的尺度变大,形貌由纳米线逐步形成纳米带、片等形状。β-Ga2O3纳米结构在波长516 nm处有很强的绿光发光带,而且随着催化剂颗粒尺寸的增加,发光强度和峰位"红移"现象逐渐减弱。     

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.     

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。     

金纳米线与亚波长狭缝结合实现局域场增强研究

为了获得更强的局域场来增强喇曼散射信号或非线性效应,提出了在亚波长金狭缝中放置两列紧邻金纳米线的结构,将两纳米线近场耦合效应和狭缝类法布里-珀罗共振对电场的放大作用结合起来实现纳米线间更强的电磁场.理论分析得出,两纳米线间电场强度在狭缝深度增加时呈现周期性起伏变化,满足类法布里-珀罗共振条件时出现峰值,且纳米线对于发生共振时狭缝深度有调制作用;电场强度在狭缝周期近似等于入射波长附近呈现突变趋势,在纳米线间距增加时呈指数递减.用有限元法对增强机理进行了仿真,结果表明:在纳米线间距为1nm和2nm时,增强效果较好;狭缝周期为600nm、深度为310nm、宽度为100nm、纳米线间距为1nm,在波长650nm时,两金纳米线中心热点处电场增强为200倍,达到109的喇曼增强因子,比单纯的两根金纳米线的热点处增强因子提高了3个数量级.     

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.     

Au/SiO2纳米复合薄膜的微结构及光吸收特性研究

用多靶磁控溅射技术制备了Au/SiO2纳米多层薄膜.利用透射电子显微镜以及吸收光谱对Au/SiO2复合薄膜的微观结构、表面形貌及光学性能进行了表征和测试.研究结果表明:单层Au/SiO2薄膜中Au沉积时间小于10s时,分散在SiO2中的Au颗粒随Au的沉积时间的延长而增大;当沉积时间超过10s后,Au颗粒的尺寸几乎不随沉积时间变化,但Au颗粒的形状由网络状结构变为薄膜状结构.[Au(t1)SiO2(600)]×5多层薄膜在540-560nm波长附近有明显的表面等离子共振吸收峰,且吸收峰的强度随Au的沉积时间增加而增强.基于修正后的Maxwell-Garnett (M-G)有效媒质理论,讨论了金属颗粒的形状对等离子共振吸收峰的峰位和强度的影响.模拟的吸收光谱与实验吸收光谱形状、趋势及吸收峰位相符合.     

金纳米球壳对的局域表面等离激元共振特性分析

应用有限元方法, 研究金纳米球壳对的几何结构参数及物理参量对其表面等离激元共振的散射及消光光谱的影响, 并根据等离激元杂化理论进行了理论分析. 结果表明, 随着金壳厚度的增加, 金纳米球壳对的散射及消光共振峰先发生蓝移而后红移, 而随着金纳米球壳间隙的减小, 或者随着金纳米球壳的内核尺寸或内核介质折射率的增大, 散射及消光共振峰均发生红移; 随着金壳厚度或内核尺寸减小, 或者随着内核介质折射率增大, 金纳米球壳对的散射与消光共振强度减弱, 而随着金壳间隙的减小, 金纳米球壳对的散射共振强度先增强后减弱, 而消光共振强度逐渐增强, 数值模拟与理论分析一致.     

Au-Ag合金纳米球壳的折射率传感特性分析与优化

基于Au纳米颗粒的稳定性、无毒性、生物相容性和Ag纳米颗粒优异的消光特性,Au-Ag合金纳米颗粒在生物传感中存在着潜在的应用价值。为了能找到传感性能更好的合金纳米颗粒,本文利用双层球Mie散射理论和介电函数尺寸修正模型定量研究了Au-Ag合金纳米球壳的尺寸参数对折射率灵敏度、半峰宽和品质因子的影响,获得了最佳品质因子和对应的优化尺寸。同时,本文研究了Au摩尔分数对最佳品质因子和优化尺寸的影响。结果发现,当Au摩尔分数x为0.5时,Au-Ag@SiO_2(Au-Ag@Vacuum)合金纳米球壳的最大品质因子为2.09(2.20),对应的内核半径和外壳厚度分别为22.3 nm(23.6 nm)和8.7 nm(6.9 nm)。当Au摩尔分数小于0.25时,Au-Ag合金纳米球壳的品质因子优于Au纳米球壳。随着Au摩尔分数的减小,品质因子增大,甚至是Au纳米球壳的2～3倍。此研究为Au-Ag合金纳米球壳在生物传感领域中的有效应用提供了理论指导。     

缝隙八木纳米天线设计及宽波段吸收特性

针对传统光伏电池能量收集易受环境与光照时间限制的问题,本文设计了一种用于太阳能收集的缝隙八木纳米天线单元及阵列.采用时域有限差分法分析缝隙间距对纳米天线远场方向性和近场分布的影响,并研究缝隙八木纳米天线阵列的吸收特性及不同缝隙间距对阵列天线吸收率的影响.研究远场方向性发现,当缝隙间距增加到一定距离时,天线方向图出现多个副瓣并产生新的辐射模式;通过对近场分析表明,新辐射模式的产生来源于高阶模式的局域表面等离激元.天线阵列吸收率的仿真结果表明:在400~1 500nm波段,随着缝隙间距的增加,缝隙八木纳米天线阵列吸收率呈上升趋势,当缝隙间距等于80nm时,在400~660nm、760~1 300nm两个波段内吸收率较高,吸收峰值最大可以达到98%;以吸收率大于50%为基准,当缝隙间距等于80nm时,其吸收波段最宽.     

金局域表面等离激元增强砷化镓发光特性

研究了金纳米颗粒局域表面等离激元共振耦合效应,并实现了砷化镓薄膜的近场发光增强.通过理论计算金纳米颗粒的吸收光谱及电场分布,分析金属纳米颗粒形貌尺寸的改变对等离激元共振频率调控及局域场增强效果的影响,模拟半径为50nm的金颗粒并实现了35倍近场增强效果.通过对双球型的模拟,分析了一种金纳米颗粒增强GaAs的积极方式,即密集颗粒之间的近场耦合形成的"hotspots".此外,研究了不同溅射时间及快速退火对金纳米颗粒吸收特性的影响,发现金纳米颗粒吸收峰位主要位于560～680nm波段,而且随着溅射时间的增加发生红移现象.经过快速退火处理后,金纳米颗粒吸收峰位蓝移到510～550nm波段,形成与532nm激发波长相匹配的共振吸收峰.最后,实现砷化镓薄膜9.6倍的光致发光增强.     

金纳米核壳局域表面等离子体激元的消光特性研究

采用离散偶极近似(Discrete Dipole Approximation,DDA)方法考察核壳比和外界介质折射率对ITO/Au、CdS/Au、Nb-Sn/Au纳米核壳粒子表面等离子体共振消光特性的影响,并利用杂化理论对其物理本质解释。仿真结果表明,ITO/Au和CdS/Au纳米核壳的ω-模式对应的共振峰峰位随核壳比的增加逐渐红移,而Nb-Sn/Au纳米核壳对应的共振峰峰位随核壳比的增加逐渐蓝移;ω+模式对应的四极共振峰峰位随核壳比的增大缓慢蓝移;集中在金壳两极点的振荡电荷对核壳球模式和腔模式的耦合作用以及电场分布有显著影响;相同尺寸纳米核壳的消光能力由强到弱依次是ITO/Au、Nb-Sn/Au、CdS/Au。     

Au/VO_2双层薄膜纳米点阵的光学特性

基于VO_2薄膜的热致相变特性,利用修正的Sellmeier色散模型和有限时域差分法计算了Au/VO_2双层薄膜纳米点阵的透过率和反射率,发现其存在反转效应,且反转效应受点阵间距、膜层厚度和颗粒半径等参量调控.随着颗粒间距的增大,透射谱中谐振峰的位置发生红移,透过率反转差值增加,但间距进一步增大时,反转效应消失.随着Au/VO_2膜层厚度的减小,透过率明显增大,透过率反转差值也随之改变.随着颗粒尺寸的增大,相变前后的透过率差值逐渐增大,但当颗粒尺寸进一步增大时,透过率反转效应不明显.对点阵间距、膜层厚度和颗粒半径的优化结果表明,Au/VO_2双层薄膜纳米点阵间距为9.8nm、VO_2层厚度和Au层厚度均为110nm、颗粒半径为58nm时,反转效应最明显,其相对透过率反转差值可达91%,其相对反射率反转差值可达90%.     

内电场对纳米硅光致发光谱的影响

从量子限制发光中心模型出发，计算了纳米硅的光致发光（PL）特征与发光中心间的关系. 研究发现，纳米硅与发光中心间的内电场对载流子复合率及峰位振荡有着十分重要的影响. 在2—5 nm的尺寸范围内，纳米硅发光中心上的载流子复合概率远大于内部复合概率，仅需考虑发光中心上的载流子复合发光. 还发现发光中心与纳米硅粒子间的内电场对于纳米硅的发光峰位振荡有着显著的影响.发光中心与纳米硅粒子间的内电场的存在会显著减小纳米硅粒子的内部发光效率以及外部相应发光中心上的发光强度，使得纳米硅PL谱的峰位随纳米晶粒尺寸变化而发生 关键词： 内电场 纳米硅 光致发光 量子限制发光中心     

基于涂覆石墨烯的三根电介质纳米线的THz波导的模式特性分析

研究了一种基于涂覆石墨烯的三根电介质纳米线的THz波导,采用多极方法对这种波导所支持的5种低阶模的有效折射率的实部和传播长度进行了解析分析.结果表明,通过改变工作频率、中间纳米线半径、纳米线之间的间距以及石墨烯的费米能,可以有效地调节波导的模式特性.当工作频率从30 THz增加到40 THz时,这些模式的有效折射率的实部增大,传播长度减小,并且在变化的过程中会出现交叉现象.当中间纳米线的半径从25 nm增加到75 nm时,除了模式3和模式4基本不受影响,其他模式有效折射率的实部增大,传播长度变化各不相同.当纳米线之间的间距从10 nm增加到50 nm时,除了模式3和模式4基本不受影响,其他模式有效折射率的实部减小,传播长度增大,并且在变化的过程中会出现交叉现象.当石墨烯的费米能从0.4 eV增加到1.2 eV时,有效折射率的实部减小,传播长度增大.计算表明,多极法得到的结果与有限元方法得到的结果完全一致.本研究可以为基于涂覆石墨烯的电介质纳米线的THz波导的设计、制作和应用提供理论基础.     

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。     

基于SPASER机制的偏心金壳纳米天线的多波长散射特性

基于表面等离激元受激辐射放大(SPASER)机制,提出了一种硅-金-硅三层核壳偏心纳米天线,并利用有限元法分析了其多波长散射特性.结果表明:在SPASER机制下,该纳米天线产生极大的散射光强度,且工作波长的数目随着硅核偏心率的增加而增加;当硅核的偏心率为9 nm时,该纳米天线有4个共振峰,分别位于615 nm、656 nm、724 nm、847 nm,其对应的散射强度比非SPASER机制的纳米天线的散射强度高104倍;该纳米天线的散射波长还可以通过改变入射光的偏振角调节.基于SPASER机制的纳米天线对于设计多波长纳米激光器具有指导意义.     

基于SPASER机制的偏心金壳纳米天线的多波长散射特性（英文）

基于表面等离激元受激辐射放大(SPASER)机制,提出了一种硅-金-硅三层核壳偏心纳米天线,并利用有限元法分析了其多波长散射特性.结果表明:在SPASER机制下,该纳米天线产生极大的散射光强度,且工作波长的数目随着硅核偏心率的增加而增加;当硅核的偏心率为9nm时,该纳米天线有4个共振峰,分别位于615nm、656nm、724nm、847nm,其对应的散射强度比非SPASER机制的纳米天线的散射强度高104倍;该纳米天线的散射波长还可以通过改变入射光的偏振角调节.基于SPASER机制的纳米天线对于设计多波长纳米激光器具有指导意义.     

Ag-Au二元纳米微粒吸收谱的计算

纳米微粒的光学性能与其表面等离子体共振关系密切.本文利用推广的Mie理论计算研究了Au-Ag体系单质、合金以及核壳结构纳米颗粒的消光、吸收和散射的性能(包括壳核结构Ag-Au微粒在紫外-可见光的吸收性能),计算结果与实验值相符合得很好.研究表明,随着粒径的增加,微粒表面等离子体共振偶极吸收峰出现红移,波峰位置与纳米微粒的尺寸具有线性关系.壳核结构中,粒径与核壳比决定了整个微粒的吸收性能.进一步研究表明,当Au壳层较薄时,可以获得具有可调光学性能的壳核纳米结构;而当Au壳层较厚时,其光学性能与同尺寸单质Au微粒一致.通过计算分析,本文还将Mie理论推广到具有空腔结构并且壳层厚度达到一定值的纳米微粒.另外,研究发现合金结构纳米微粒的吸收峰位置与合金成分有着线性关系.本研究表明,人们可以通过控制纳米微粒的尺寸、形貌和结构,调节其表面等离子体共振峰位,这大大拓展了纳米微粒的应用范围.     

边缘形貌缺陷对条状光学天线响应特性的影响

使用有限时域差分法,模拟计算了天线边缘的凹凸缺陷对硅基底上的条形天线的响应特性及电场分布的影响.计算结果表明:两种类型的缺陷都将改变缺陷附近的电场方向和电场强度,凸起缺陷可以使其附近的电场增强,而凹陷缺陷则相反,且缺陷越靠近天线末端,对电场的影响越强.缺陷大小和位置不同,对电场增强面积的影响不同.凹陷缺陷位于天线末端时,随着缺陷的增大,电场强度增强2倍的区域单调减小,增强4倍的区域面积单调增加.当缺陷为20nm时,电场强度增强2倍的区域面积降低约3%,增强4倍的区域面积增加约4%.与凹陷缺陷不同凸起缺陷没有简单单调性,缺陷位置不同,影响也有所区别,但是控制缺陷在10nm以内可以显著降低影响.该结果为光学天线加工的精度要求提供了理论依据.