钴纳米结构光学性质的离散偶极近似分析

基于离散偶极近似理论,模拟分析了四种不同钴纳米结构的光学性质,具体讨论了钴单质半径、钴金合金材料的组分、钴金核壳结构中的内核大小及壳厚度、钴空心球的尺寸及空球壳厚度等参数对其消光光谱的影响。结果表明,半径50nm的钴颗粒水溶液消光效率最大,且散射强度优于吸收;中空钴球相比实心颗粒消光谱红移,内半径40nm、壳厚5nm的空心钴纳米结构在可见光区域的消光效率最高;半径50nm、钴金原子成分比值为1的合金颗粒在可见光区域具有较宽的散射光谱;随钴金核壳结构中核壳尺寸的增大,消光谱都由显示有两个峰位的波形演化为一个半高宽较大的波形,颗粒特性受核壳金属的共同作用。这些结果可以为其在太阳能领域等应用中的结构参数选择提供参考和借鉴。     

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。     

金纳米粒子光学性质中的尺寸和形状效应

纳米尺度的金属及半导体呈现出特殊的光学、电学及磁学性质,采用近年发展起来的离散偶极近似(DDA)的方法,我们分析了金纳米粒子的尺寸及形状对其光学性质的影响。粒子周围介质的影响在文中亦作了分析。计算结果显示,金纳米粒子的等离子体吸收带同时受到粒子尺寸和形状的影响,但来自形状的影响更为明显。与米氏理论及扩展的甘氏理论相比较,DDA方法在粒子尺寸不再远小于入射光波长的时候更准确,并能应用于任何形状的纳米粒子。理论计算与实验结果能较好的吻合。     

光学共振增强的表面铯激活银纳米结构光阴极

金属光阴极因其超短脉冲发射和运行寿命长的特性从而具有重要应用价值,但是较高的功函数和较强的电子散射使其需要采用高能量紫外光子激发且光电发射量子效率极低.本文利用Mie散射共振效应增强银纳米颗粒中的局域光学态密度,提升光吸收率和电子的输运效率,并利用激活层降低银的功函数,从而增强光阴极在可见光区的量子效率.采用时域有限差分方法分析银纳米球阵列的光学共振特性,采用磁控溅射和退火工艺在银/氧化锡铟复合衬底上制备银纳米球,紧接着在其表面沉积制备铯激活层,最后在高真空腔体中测试光电发射量子效率.实验结果表明平均粒径150 nm的银纳米球光阴极在425 nm波长的量子效率超过0.35%,为相同激活条件下银薄膜光阴极的12倍,峰值波长与理论计算的Mie共振波长相符合.     

银纳米三棱柱二聚体的光学性质研究

本文利用离散偶极子近似方法研究了银纳米三棱柱二聚体的光学性质, 考察了粒子相对位置、粒子间隔和入射光偏振方向对消光谱和电场的影响。入射光偏振对二聚体的消光谱和表面电场均有较大的影响。纳米粒子间隔较小时, 粒子间存在较强的耦合; 粒子间隔较大时, 二聚体的消光谱更接近两个相互独立的粒子情形。另外二聚体的表面电场分布和平均电场强度还受到粒子相对位置和间隔的影响, 随着粒子间隔的增大, 表面平均电场值振荡上升达到最大值后减小。     

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     

化合物/银核壳结构纳米复合颗粒的消光性能研究

利用离散偶极近似(Discrete Dipole Approximation,DDA)方法系统研究ITO/Ag、CdS/Ag、和ZnS/Ag纳米核壳结构的消光特性。研究结果表明,银纳米核壳的表面等离子体共振吸收峰位置随周围介质折射率和颗粒核壳比的增大逐渐红移;且当核壳比相同时,较大球径纳米核壳的消光峰位置处在长波长处。研究亦发现,银壳与化合物之间存在显著的电子迁移现象,相同球径的银表面电子密度降低程度由高到低为CdS/Ag、ZnS/Ag、ITO/Ag。     

纳米金属颗粒复合物中偶极相互作用的数字模拟

应用耦合偶极方程，描述了纳米尺寸金属颗粒复合物的偶极相互作用，计算在准静态近似下纳米尺寸的金、银及铜的复合物中，偶极相互作用的频率变量和衰变参量的波长相关特征，并对结果进行了分析。     

二维氧化锌纳米阵列的制备及光学吸收特性研究

采用漂移法,在玻璃衬底上制备出粒径分别为117,350和500 nm单层、大面积的聚苯乙烯胶体球掩膜板,在已制得的掩膜板上用射频磁控溅射的方法沉积一层氧化锌薄膜,最后用有机溶液四氢呋喃(THF)浸泡去除聚苯乙烯胶体球,获得不同粒径的二维氧化锌纳米团簇。通过扫描电子显微镜和能量色散X射线光谱仪对样品的形貌及成份进行表征,表明所制得样品为有序分布的蜂窝网状氧化锌纳米阵列。在室温下,通过吸收光谱仪测试样品在300～800 nm波长范围内的吸收光谱,结果表明对于具有不同尺寸晶粒的氧化锌纳米团簇样品,随着所采用的聚苯乙烯胶体球粒径的增大,即氧化锌纳米团簇粒径的增加,光吸收峰出现了宽化和红移;随着溅射时间的延长,即氧化锌薄膜膜厚的增加,光吸收率提高。此外,对氧化锌纳米团簇阵列的光吸收特性进行了基于离散偶极子近似的理论计算从而获得任意形状和尺寸粒子的吸收。目前,文献报道中用此理论计算各种形状的纳米金、银等金属的结果与实验结果相符,但是应用离散偶极子的近似理论计算氧化锌纳米颗粒的报道很少。应用此理论计算三角棱台形状的氧化锌光学吸收特性,根据氧化锌薄膜介电常数和膜厚的变化进行光吸收特性的模拟,并解释了实验结果。     

Optical behavior of composite carbonaceous aerosols: DDA and EMT approaches

Atmospheric particles may contain a small amount of black carbon (BC) that may affect their optical properties. These optical properties also depend strongly on the particle morphology and internal topology. The efficiency factors for scattering Q_sca, absorption Q_abs, extinction Q_ext, backscattering Q_bk, as well as the asymmetry parameter cos, linear polarization P, and scattering phase functions S₁₁ are analyzed in detail as functions of morphology and internal topology. Backscattering quantities (like Q_bk and P and S₁₁ at large scattering angles) are affected most significantly. The behavior of these quantities depends strongly on the internal mixing of the constituent materials making up the particle. Effective medium theories (EMTs), which assume that the particle is homogeneous and are applied frequently in radiative transfer studies, can underestimate Q_sca and S₁₁ especially when high carbon contents are considered. Contrarily, EMTs also tend to overestimate the values of the asymmetry parameter and Q_abs.     

金银核壳结构复合纳米颗粒的消光特性研究

利用离散偶极近似(Discrete Dipole Approximation-DDA)算法,从理论上模拟分析了金银核壳结构复合纳米颗粒的消光光谱以及不同核壳厚度、不同介质折射率情况下峰位的变化情况。研究结果表明,随着壳层厚度的增加,复合纳米颗粒的消光谱线先逐渐形成两个与单质金属纳米颗粒相似的消光峰,后又逐渐合为一个半峰宽度较宽的消光峰;在不同介质环境中复合纳米颗粒的消光峰都随着介电常数的增大出现红移;无论是作为核层还是壳层,银对总体消光谱线的作用都要比金强。     

外围介质介电常数对金纳米棒光学性质影响的数值模拟

采用电化学方法制备出悬浮胶体金纳米棒。在室温下测得其紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱。结合准静电场理论与散射理论对金纳米棒的光学特性进行了数值模拟。计算结果表明,由于金纳米棒形状的各向异性,吸收截面与散射截面均出现两个共振峰,分别对应于横截方向与长轴方向的表面等离子共振。对于几何形状一定的金纳米棒,在外围介质介电常数从1.5增加到2.5的过程中,两个共振吸收峰均增强并非线性红移。然而对于散射光谱,短波方向的共振峰线性红移,强度变化微弱;长波方向的共振峰减弱并非线性红移。     

掺杂对随机取向团簇粒子辐射特性的影响

利用Bruggeman有效介质理论得到了占有不同体积份额杂质的团簇粒子的等效复折射率.采用离散偶极子近似方法对包含有不同化学成分的随机取向团簇粒子的散射相函数、消光、吸收、散射效率因子、单次散射反照率以及不对称因子等辐射特性参量进行了数值计算,深入探讨了掺杂量对随机取向团簇粒子辐射特性的影响.研究表明,掺杂对随机取向团簇粒子的辐射特性产生显著的影响,并且此影响随着粒子尺度参量的变化而变化.这一工作对研究多种化学成分组成的混合气溶胶的辐射及气候效应具有重要科学价值.     

二氧化钒的电子结构及光学性质计算

本文使用基于量子力学第一性原理的CASTEP程序包,计算了单斜结构和金红石结构的二氧化钒(VO2)的电子结构、介电常数、吸收系数、折射率等光学性质。介电函数的虚部、吸收光谱、折射率等它们的峰值位置存在一一对应关系,这表明了它们之间存在着内在的联系,它们都与电子从价带到导带的跃迁吸收有关,这为从物理本质上理解二氧化钒的光学性质提供了重要的依据。计算结果与实验结果符合得很好。     

一种用于LSPR传感器的准正方型银纳米颗粒阵列制备

首先控制聚苯乙烯纳米球(PS球)乳液在基片上的干燥温度,采用自组装方法,使用单一粒径的PS球制备出单层的PS球亚稳态正方排列结构模板。然后,在模板上通过磁控溅射法沉积一层银膜。利用纳米球光刻技术,去掉PS球模板得到二维正方点阵排列的准正方形银纳米颗粒阵列结构。     

Synthesis and Optical Properties of Anisotropic Metal Nanoparticles

In this paper we overview our recent studies of anisotropic noble metal (e.g. gold and silver) nanoparticles, in which a combination of theory and experiment has been used to elucidate the extinction spectra of the particles, as well as information related to their surface enhanced Raman spectroscopy. We used wet-chemical methods to generate several structurally well-defined nanostructures other than solid spheres, including silver nanodisks and triangular nanoprisms, and gold nanoshells and multipods. When solid spheres are transformed into one of these shapes, the surface plasmon resonances in these particles are strongly affected, typically red-shifting and even splitting into distinctive dipole and quadrupole plasmon modes. In parallel, we have developed computational electrodynamics methods based on the discrete dipole approximation (DDA) method to determine the origins of these intriguing optical features. This has resulted in considerable insight concerning the variation of plasmon wavelength with nanoparticle size, shape and dielectric environment, as well as the use of these particles for optical sensing applications.     

Optical properties of nanocrystalline silver halides

A review of quantum confinement effects in nanocrystals of silver bromide (AgBr) and silver iodide (AgI) is presented. AgBr is an indirect gap semiconductor while AgI has a direct band-to-band lowest energy transition. An examination of the low-temperature optical properties of quantum confined AgBr grown using a variety of synthetic techniques will be made. The dynamics of some of the involved excitonic processes will be measured and discussed in reference to a possible breakdown in the momentum selection rules as the nanocrystals are made smaller. Other explanations for this behavior such as impurity exclusion and surface effects will also be considered, as will the dynamics associated with the trapping of excitons at intrinsic iodide impurities in AgBr. Absorption measurements on AgI nanocrystals will be discussed and compared with the exciton photophysics in AgBr. Both AgBr and AgI display an increasing blue shift of their luminescence, arising from the recombination of excitons, as the crystallite size decreases. The luminescence intensity arising from this process increases with decreasing size in AgBr but it disappears in small crystals of AgI. This leads to the conclusion that in the latter material nonradiative decay channels are opening up as the size decreases.