基于局域表面等离子共振效应（LSPR）进行探测的机理分析及其应用

发布时间：2020-06-02 19:12

【摘要】：贵金属纳米颗粒具有独特的光学特性,当受到特定波段的光的激发时会引起自由电子集体振荡,使其自身的吸收和散射显著增强,这一现象被称为局域表面等离子共振效应(LSPR)。影响LSPR效应的主要因素有颗粒的形状,大小,材料及颗粒周围的介质环境。当颗粒周围的介质环境发生变化时,会使颗粒的共振频率发生改变,基于这一原理,可对颗粒周围的介质环境进行探测。本文对贵金属纳米颗粒的探测性能进行了研究,主要工作如下:(1)利用吸收介质中的Mie理论分析周围介质对颗粒探测性能的影响,并介绍颗粒在气体探测方面的应用。研究结果表明周围介质复折射率的实部和虚部均会影响颗粒的光谱,且颗粒的探测性能随着周围介质复折射率虚部的增大而下降,当虚部大于一定值后,无法再用颗粒进行探测。此外还介绍了颗粒在气体探测方面的应用,分别介绍了利用纳米颗粒直接进行探测以及利用Ag-Pd核壳结构对氢气进行探测。(2)利用FDTD软件计算单个纳米颗粒的散射光谱,并分析颗粒的形状,大小,材料等因素对颗粒探测性能的影响。研究结果表明,颗粒在入射光入射方向上越短,或在入射光极化方向上越长,则它的探测性能越好;颗粒的尺寸越大,则它的折射率灵敏度S越高,FOM值越小；Au,Ag,Cu三种材料中,Ag的探测性能最好,Cu的探测性能最差。(3)利用FDTD软件计算纳米阵列的吸收光谱,并分析颗粒间距对纳米阵列探测性能的影响。研究结果表明,当颗粒间距较大时纳米阵列的折射率灵敏度S较大,随着颗粒间距的减小纳米阵列的折射率灵敏度S会先减小后增大,且纳米阵列的FOM也有相似的变化趋势。
【图文】：

计算模型,光源

逦硕士学位论文逡逑图２．１所示，计算中使用的光源是总场散射场光源（Ｔｏｔａｌ邋ｆｉｅｌｄ邋ｓｃａｔｔｅｒ邋ｆｉｅｌｄ，邋ＴＦＳＴ），逡逑在光源内部是颗粒与入射光相互作用后的总场，在光源外部是散射场。在光源和逡逑颗粒之间加入一组监视器（共六个），将颗粒包围在一个棱柱空间内，可以求得逡逑颗粒的吸收截面；在光源外加入一组监视器，可以求得颗粒的散射截面。因为光逡逑源入射需要有一定的距离，因此为保证计算的准确性，监视器不能处于光源的范逡逑围内。在计算区域的最外层是ＰＭＬ边界层，ＰＭＬ边界层会将光截断，导致有光逡逑被反射，进而影响散射场，因此要求ＰＭＬ边界层必须有较大的尺度。逡逑二ｒ逡逑图２．１邋ＦＤＴＤ计算模型逡逑２．邋２．邋５邋ＦＤＴＤ准确性验证逡逑ＦＤＴＤ的准确性通过与Ｍｉｅ理论得到的精确解进行对比来验证。使用的算例逡逑是半径为２０ｍｎ的球形Ａｇ纳米颗粒，周围介质为真空（折射率为１），光源为逡逑平面波。图２．２是分别使用ＦＤＴＤ与Ｍｉｅ理论得到的球形Ａｇ纳米颗粒在真空中逡逑的吸收因子和散射因子ｇａ＆ＦＤＴＤ计算结果的精确度和网格大小密切相关

吸收因子,散射因子,圆球,半径

逦硕士学位论文逡逑图２．１所示，计算中使用的光源是总场散射场光源（Ｔｏｔａｌ邋ｆｉｅｌｄ邋ｓｃａｔｔｅｒ邋ｆｉｅｌｄ，邋ＴＦＳＴ），逡逑在光源内部是颗粒与入射光相互作用后的总场，在光源外部是散射场。在光源和逡逑颗粒之间加入一组监视器（共六个），将颗粒包围在一个棱柱空间内，可以求得逡逑颗粒的吸收截面；在光源外加入一组监视器，可以求得颗粒的散射截面。因为光逡逑源入射需要有一定的距离，因此为保证计算的准确性，监视器不能处于光源的范逡逑围内。在计算区域的最外层是ＰＭＬ边界层，ＰＭＬ边界层会将光截断，，导致有光逡逑被反射，进而影响散射场，因此要求ＰＭＬ边界层必须有较大的尺度。逡逑二ｒ逡逑图２．１邋ＦＤＴＤ计算模型逡逑２．邋２．邋５邋ＦＤＴＤ准确性验证逡逑ＦＤＴＤ的准确性通过与Ｍｉｅ理论得到的精确解进行对比来验证。使用的算例逡逑是半径为２０ｍｎ的球形Ａｇ纳米颗粒，周围介质为真空（折射率为１），光源为逡逑平面波。图２．２是分别使用ＦＤＴＤ与Ｍｉｅ理论得到的球形Ａｇ纳米颗粒在真空中逡逑的吸收因子和散射因子ｇａ＆ＦＤＴＤ计算结果的精确度和网格大小密切相关
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;O53

【参考文献】