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M ie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...     

温度变化环境中Au纳米球光学性质的研究

理论分析了贵金属纳米颗粒介电函数的尺寸及温度修正,考虑环境介质折射率的色散及随温度变化关系,计算了温度变化环境中Au纳米球的光学性质.结果表明,体相和纳米Au金属介电函数实部均随着温度升高而增大,而体相材料和纳米Au介电函数虚部表现出不同的温度特性;对于纳米球的光吸收效率,温度升高,纳米球的吸收峰峰值增大;对10~100nm的Au纳米球吸收效率的温度灵敏度分析表明,Au纳米球的光吸收效率温度灵敏度随粒径增大而减小.     

壳层纳米颗粒的光散射行为研究

本文主要研究了Au-Si球型壳层纳米颗粒在电磁波作用下的散射行为,并将其与实心Au球、空心Au球、实心Si球和空心Si球的光散射行为进行了对比。利用Mie散射理论计算得出Au-Si球型壳层纳米颗粒在外加电磁波作用下的各阶电响应和磁响应,观察壳层结构的几何参数对电偶和磁偶共振峰位置的影响,并进一步研究Au材料中的电偶响应与Si材料中的电偶(磁偶)响应之间的耦合关系,找到其中的耦合规律。通过对单个球型壳层纳米颗粒散射行为的研究,为利用该颗粒周期性排列制备具有特殊电磁性质的人工特异材料提供理论指导。     

非均匀介质球颗粒的等效介电常量

从求解拉普拉斯方程的边值问题出发,讨论了非均匀介质球颗粒的等效介电常量,给出了多种介质组成的多壳层介质球颗粒的等效介电常量的一般递推公式,推导了壳层的介电常量随半径连续变化的梯度介质球的等效介电常量的微分方程．并以壳层的介电常量为幂函数为例,得到了梯度壳层介质球的等效介电常量．     

分级结构对纳米多孔金属表面增强拉曼散射特性的调控

在单级纳米多孔金属韧带上构建次级介孔,获得具有高密度"热点"的分级纳米多孔结构材料。采用时域有限差分法模拟得到分级纳米多孔结构局域电磁场强度及分布,借助拉曼光谱技术对脱合金所得分级纳米多孔金属的SERS特性进行检测。由实验和模拟结果可见,分级纳米多孔金属结构局域电磁场强度及"热点"密度均高于单级纳米多孔金属结构,表现出更好的表面增强拉曼散射特性,分级纳米多孔金和分级纳米多孔铜对结晶紫分子的检测极限均可达到10~(-11)mol·L~(-1),SERS增强因子相对于单级纳米多孔金属提高了两个数量级。次级结构的引入,可极大提高单级纳米多孔结构表面局域电磁场强度,为制备高性能SERS基底提供了新的方法。     

金属纳米锥表面吸附分子分布的数值模拟

在均匀外电场中,将吸附在由过渡金属基底生长的纳米锥颗粒表面的CO分子等效为偶极子,在考虑偶极子与局域电场,偶极子之间色散力及偶极子与锥表面原子之间三种相互作用的情况下,给出各相互作用能的数学模型,并用Monte Carlo方法进行数值模拟,得到纳米锥颗粒表面吸附CO分子的空间分布构型.结果表明,在这些相互作用下,纳米锥表面吸附CO分子产生局部凝聚,且随着纳米锥角的变小,吸附在锥顶部的分子更加密集,导致吸附分子间相互作用更强,为解释纳米结构表面吸附体系的异常红外效应提供依据.     

石墨烯包裹纳米线体系的等价参数以及法诺共振的计算与讨论

文章基于Mie全波散射理论,建立了石墨烯包裹介电纳米线平行排布在介质中的复合结构的有效介质理论.在长波极限下,我们得到了石墨烯包裹介电(GCD)纳米线结构的等价(EQ)介电常数和磁导率.通过分析比较远场散射谱,我们发现相同尺寸的等价电磁结构可以和原复合结构进行有效的拟合;此外,由于介电颗粒及石墨烯参数的可调性,我们得到了该复合体系可调的隐身及共振散射.进一步研究发现,该复合体系还可以实现可调的法诺共振.     

银纳米颗粒阵列的表面增强拉曼散射效应研究

利用具有高密度拉曼热点的金属纳米结构作为表面增强拉曼散射(SERS)基底,可以显著增强吸附分子的拉曼信号.本文通过阳极氧化铝模板辅助电化学法沉积制备了高密度银(Ag)纳米颗粒阵列;利用扫描电子显微镜和反射谱表征了样品的结构形貌和表面等离激元特性;用1, 4-苯二硫醇(1, 4-BDT)为拉曼探针分子,研究了Ag纳米颗粒阵列的SERS效应.通过优化沉积时间,制备出高SERS探测灵敏度的Ag纳米颗粒阵列,检测极限可达10~(-13)mol/L;时域有限差分法模拟结果证实了纳米颗粒间存在强的等离激元耦合作用,且发现纳米颗粒底端的局域场增强更大.研究结果表明Ag纳米颗粒阵列可作为高效的SERS基底.     

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     

金属纳米椭球结构表面的局域电场和吸附分子分布

过渡金属纳米结构表面吸附CO分子时会出现异常红外效应,这一现象可以用纳米结构表面吸附分子在外电场作用下产生局部凝聚从而相互作用能增加来解释.在前期研究的基础上,给出金属基底表面生长出的纳米颗粒为椭球状颗粒的理论计算结果.基于均匀外电场中金属纳米椭球颗粒按一定对称性排列的表面结构模型,用经典电磁学理论计算了纳米椭球颗粒表面附近的局域电场.在此基础上,将吸附的CO分子等效为偶极子,在考虑了偶极子与局域电场、偶极子之间以及偶极子与金属基底三种相互作用的情况下,用Monte-Carlo方法进行数值模拟,最后给出纳 关键词： 金属纳米结构表面 纳米椭球 吸附分子 局域电场     

金纳米双球系统的高灵敏光学传感与其消光系数及局域场增强之关联

系统地研究了最基本的单/双金纳米球系统的共振峰移动、局域场增强和消光谱等光学响应行为.发现在双金纳米球系统中,入射光除了能激发每个金纳米球的局域表面等离激元共振模式外,调整金纳米球间隙可使共振模式间产生强烈耦合,使系统局域场增强因子进一步提升,并增强光学传感能力和消光系数.有趣的是,受限于有限的局域场增强体积,具有高局域场增强因子的间隙为2 nm的双金纳米球系统的消光系数大幅降低,其消光系数和光学传感能力均低于5 nm间隙的系统.研究表明,双金纳米球系统的光学传感灵敏度不是由局域场增强幅度直接决定的,而与系统消光系数有相似的变化行为.这些结果可指导金纳米双颗粒和多颗粒系统的设计,为表面拉曼散射增强和光学传感等方面的应用提供创新性思路和方案.     

电流变液电磁波散射理论研究

本文以近代电磁理论为基础，研究电流变液中电磁波散射性质。引入局域结构因子、盲点、正比点的概念，用局域结构因子描述电流变液微观粒子的分布。讨论了随外加电场增大时结构和介电常数对散射的影响。结果表明：在空间存在电磁波散射能量极小值，此类点存在的空间位置不定；随外加电场增加，盲点存在的几率变大而正比点存在的几率变小。     

一种处理色散介质问题的通用时域有限差分方法

色散介质的介电系数是频率的函数,使本构关系在时域成为卷积关系.这就给用时域有限差分方法计算色散介质中波的散射和传播带来了困难.现有算法往往要针对不同色散介质模型推导相应的递推公式,算法的通用性较差.本文完善和发展了移位算子-时域有限差分方法,使之成为一种处理色散介质电磁问题的通用方法.首先,证明了常见的三种色散介质模型(德拜模型、洛伦兹模型和德鲁模型)的介电系数均可以写成适于移位算子法计算的有理分式函数形式.然后,用/t代替jω,过渡到时域,再引入时域移位算子z_t代替时间微分算子来处理有理分式函数形式的介电系数,给出离散时域本构关系的表示式,进而导出时域有限差分方法当中电位移矢量和电场强度之间的关系.最后,计算了几种色散介质的电磁散射,数值结果表明了本文方法和程序的通用性和正确有效性. 关键词： 时域有限差分方法 色散介质 移位算子     

平面金属等离激元美特材料对光学Tamm态及相关激射行为的增强作用

本文对具有类EIR色散特性的平面金属等离激元美特材料(planar plasmonic metamaterials, PPM)对光学Tamm态及相关激射行为的增强作用进行了研究. 我们首先运用传输矩阵方法分析了利用PPM结构的色散来增强光学Tamm态对应模式电磁局域密度的可能性. 其次, 我们将具有类EIR特性的PPM与一维光子晶体(photonic crystal, PC)合在一起设计了一种平面等离激元美特材料-光子晶体(PPM-PC)异质结构. 研究发现, 通过在电磁局域密度最高的PPM结构中(或附近)加入增益介质, 可观察到比通常光学Tamm态更强的激射增强效应及更明显的单色性响应. 这些特性使得这种PPM-PC结构有望被应用于低阈值激光器、荧光增强等方面.     

金属-介质-金属渔网超表面结构调控的荧光辐射：空间选择性激发和双增强

增强荧光辐射在生物成像、高灵敏探测、集成光源等方面都具有重要的应用价值.金属纳米颗粒的周围或者金属纳米结构的间隙都可以产生强的电磁场,相应的,这些结构附近的局域态密度也被极大地增强.虽然增强荧光辐射已经在多种金属纳米颗粒和颗粒对中被证明,但是利用金属纳米结构对荧光分子的吸收和辐射过程同时进行调制仍然是一个有挑战的问题.本文研究了金属-介质-金属超表面对荧光辐射的调控,其中局域表面等离激元(LSP)和磁等离激元(MPP)分別与于分子的吸收和辐射过程发中耦合相互作用.对于吸收过程,LSP的耦合作用使得可以通过旋转泵浦激光的偏振态来实现荧光分子的空间选择激发.此外,MPP模式的偏振依赖特性使得矩形渔网结构中的荧光分子的辐射波长和偏振态也受到调控.实验观测结果经过了时域有限差分模拟的验证.本文报道的纳米结构在光辐射器件和纳米尺度集成光源等方面都具有潜在的应用价值.     

金属-介质-金属渔网超表面结构调控的荧光辐射:空间选择性激发和双增强（英文）

增强荧光辐射在生物成像、高灵敏探测、集成光源等方面都具有重要的应用价值.金属纳米颗粒的周围或者金属纳米结构的间隙都可以产生强的电磁场,相应的,这些结构附近的局域态密度也被极大地增强.虽然增强荧光辐射已经在多种金属纳米颗粒和颗粒对中被证明,但是利用金属纳米结构对荧光分子的吸收和辐射过程同时进行调制仍然是一个有挑战的问题.本文研究了金属-介质-金属超表面对荧光辐射的调控,其中局域表面等离激元(LSP)和磁等离激元(MPP)分別与于分子的吸收和辐射过程发中耦合相互作用.对于吸收过程,LSP的耦合作用使得可以通过旋转泵浦激光的偏振态来实现荧光分子的空间选择激发.此外,MPP模式的偏振依赖特性使得矩形渔网结构中的荧光分子的辐射波长和偏振态也受到调控.实验观测结果经过了时域有限差分模拟的验证.本文报道的纳米结构在光辐射器件和纳米尺度集成光源等方面都具有潜在的应用价值.     

铝基银纳米阵列制备及其紫外-可见-近红外光吸收特性

基于阳极氧化铝模板,采用真空蒸镀技术,制备了高度有序的周期性银纳米球阵列.阵列几何结构参数调控实验发现,通过控制蒸镀厚度,可实现对阵列中银纳米球尺寸(直径)和间距的有效调控,进而有效实现对紫外-可见-近红外各波段吸收峰位和峰宽的调制.吸收光谱测试显示,该纳米阵列在紫外、可见和近红外波段都具有明显的电磁波吸收特性.时域有限差分理论模拟结合实验分析不同波段光吸收特性的物理机制,紫外超窄强吸收为银、铝介电环境非对称诱发的法诺共振,可见波段吸收源自于银纳米粒子局域表面等离子体共振,近红外波段强吸收为银纳米球阵列表面晶格共振所激发.     

雨介质中球形目标的GHz复合散射特性

将背景空间及其中存在的离散粒子作为一种连续的电介质,得出了背景空间中离散粒子存在时混合体的等效介电常量模型.利用该模型和国际电讯联盟给出的雨衰减测量数据,确定了GHz波段雨介质的等效介电常量并验证了其有效性.得出了雨环境中目标复合散射场的解析式,对雨环境中球形目标的复合微分散射进行了仿真与分析,进而研究了降雨率、电磁波频率及极化状态等因素对复合微分散射的影响.计算表明:降雨对微分散射的影响在10^-3分贝上,电磁波垂直极化时降雨的影响大于其水平极化时的影响.研究结果对精确制导和目标识别等有一定的参考意义.     

考虑棱边散射的半空间复杂导体目标高频分析方法

研究了半空间内复杂导体目标棱边散射的高频求解方法.分析半空间电磁波的传播规律和复杂目标棱边的电磁散射特性,将半空间并矢格林函数引入等效电磁流方法中,给出了基于等效电磁流法和物理绕射理论的半空间棱边散射场计算式,同时结合图形电磁学,对半空间复杂目标进行消隐处理,判断目标的棱边像素及获得棱边参数,与半空间目标的面元散射场相叠加,快速有效地计算了半空间复杂目标的雷达散射截面.数值结果证明了方法的有效性和准确性. 关键词： 半空间等效电磁流方法 半空间并矢格林函数 图形电磁学 雷达散射截面     

雪层覆盖的粗糙地面与上方矩形截面柱复合电磁散射的时域有限差分法研究

采用土壤介电常数的四成分模型和雪的介电常数模型分别表示实际的地面和雪层的介电特性, 应用指数型分布粗糙面模型和Monte Carlo方法模拟实际的粗糙地面, 运用时域有限差分方法研究了雪层覆盖的粗糙地面与上方矩形截面柱的复合电磁散射问题. 得出了复合电磁散射系数的角分布曲线, 计算了双站复合散射系数随土壤与雪层粗糙度参数、介电参数、 矩形截面柱几何参数、介电参数等的变化情况, 并做了详细分析与讨论. 得到了雪层覆盖的粗糙地面与上方矩形截面柱复合电磁散射特性.