氧化铝基银纳米棒阵列的光学非局域特性研究
发布时间：2020-12-14 06:23
随着科学技术的发展,超材料在电子对抗、电子、成像领域初露锋芒。超材料可以实现很多不可思议的用途,例如超透镜,光学隐身,光子电路。从军事到工业,再到生活消费等各个领域,超材料都将产生颠覆式的应用。超材料中有一部分材料是金属纳米复合材料,这些材料的光学特性往往会受到金属纳米颗粒的形状、体积分数、尺寸和填充介质影响。通常研究金属纳米复合材料光学特性的方法是利用等效介质理论将其等效成均匀介质。为了能够有效的描述等效均匀介质,需要使用表征电磁波与介质相互作用的物理量——介电常数。首先,选用MG理论建立了氧化铝基银纳米棒阵列的局域等效介质模型,通过拉普拉斯方程和电磁场边界连续性条件解出了等效介质中的各项等效介电常数。从麦克斯韦方程组出发研究了等效介质内部波矢与等效介电常数关系,表明一定条件下TE波或TM波入射到等效介质中不会产生双折射效应,在此基础之上提出了由反射率和透射率计算等效介电常数的方法。其次,在COMSOL里建立了氧化铝基银纳米棒阵列模型,利用COMSOL对氧化铝基银纳米棒阵列的透射率谱和反射率谱进行了仿真计算。结果表明MG理论计算垂直于晶轴方向的等效介电常数较为准确,沿晶轴方向的等效介...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
人工超材料设计的成像[17]
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文3纳米金属棒介质，特别是嵌入某些电介质材料基质中的金属棒，是另一种流行的超材料结构[18]。近几十年来，无论是在理论上还是在实验上，它都得到了广泛的研究。如图1-2所示，ShenNH等人利用有效介质理论系统地研究了平行和垂直构型下金属介电层堆叠和线状介质的两种最简单的超材料结构，并通过分析推导和数值模拟，提供了构造和设计介电常数趋于0超材料的选择方案[19]。图1-2电介质材料介电常数为12+0.01i。(a)金属介电常数与介质中金属的占空比；(b)x方向介电常数实部随金属介电常数的变化；(c)z方向介电常数虚部随金属介电常数的变化；(d)x方向介电常数虚部随金属介电常数的变化[19]。KimK等人用等效分层结构从理论上研究了双曲超材料中发生的模式转换和共振吸收现象[20]，如图1-3所示。KimK研究中已经考虑了介电常数不对称情况，即介质的光轴相对于入射表面倾斜。当倾斜角为零时，如果介电常数张量的纵向分量在介质内从正值变化到负值，此时介质内内部会发生模式转换(由T模转变为L模，T模与横向等离子体振荡有关)，而横向等离子体振荡与模式转换过程无关(L模中仍包含横向等离子体振荡)。当倾斜角不为零时，发现在入射角的符号变化下，透射率和吸收率的曲线可以是不对称的，而反射率曲线则总是对称的。KimK使用不变嵌入方法计算了介电常数张量的三种构型的反射率，透射率和吸收率，发现在入射表面是双曲介质时，波长在L共振区域的
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文4的情况下，光吸收会大大增强。图1-3吸收率反射率透射率随角度变化，光轴相对于入射表面倾斜30°，介质厚度分别为0.5倍波长，1倍波长，5倍波长，20倍波长[20]。1.2.2局域等效介质理论的发展及其应用入射波波长在某些特定频率下照射纳米金属材料时，纳米金属颗粒会产生表面等离子体共振效应，等离子体共振效应会在一定程度上强化材料对入射光的吸收[21]。受局域表面等离子体共振效应的影响，如果在其他介质中嵌入了纳米金属颗粒，就得到了纳米复合介质。纳米复合介质在许多不同的领域有着卓越的应用。例如，在太阳能电池中使用纳米复合介质可以提高光吸收率[22]；在有机污染物分解时可以提高光催化率[23]；同时也可以用于构建可调控光吸收电磁特异材料等[24]。局域表面等离子体共振峰的宽度和对应波段与纳米金属颗粒的形状[25]、体积分数[26]、尺寸[27]以及填充介质的介电常数[28]均有关系。因此含有纳米金属颗粒的超材料中，纳米金属颗粒的大孝结构、形态及填充介质的分布状态都会对超材料的光学性质产生影响，这也使得理论上计算超材料的透射率和反射率变得十分复杂。为了解决超材料研究过程中透射率和反射率的计算问题，常用的方法是将超材料等效为一均匀介质，该均匀介质与原超材料具有相同的光学性质。为了能够有效的定义等效的均匀介质，需要使用表征入射电磁波与介质相互作用的物理量——介电常数。
【参考文献】：
期刊论文
[1]电磁防护超材料在国防领域中的应用与前景展望[J]. 李宝毅,赵亚娟,王蓬,周必成,张泽奎. 电子元件与材料. 2019(05)
[2]含椭球纳米颗粒复合介质的等效介电常数[J]. 李鼎,李佳玉. 航空动力学报. 2019(03)
[3]基于复折射率的偏振模型及其应用[J]. 马利祥,李范鸣,牛继勇,丁雷. 激光与红外. 2013(10)
[4]光在金属界面的传输特性研究[J]. 顾闻,邬云骅,陈岳瑞,戴仲鸿,周薇溪,郑玉祥,陈良尧. 红外与毫米波学报. 2009(01)
硕士论文
[1]光纤表面等离子体共振折射率传感研究[D]. 张敏.西安石油大学 2019
[2]人工超材料光传输特性的研究[D]. 赵思聪.电子科技大学 2013
本文编号：2915978
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
人工超材料设计的成像[17]
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文3纳米金属棒介质，特别是嵌入某些电介质材料基质中的金属棒，是另一种流行的超材料结构[18]。近几十年来，无论是在理论上还是在实验上，它都得到了广泛的研究。如图1-2所示，ShenNH等人利用有效介质理论系统地研究了平行和垂直构型下金属介电层堆叠和线状介质的两种最简单的超材料结构，并通过分析推导和数值模拟，提供了构造和设计介电常数趋于0超材料的选择方案[19]。图1-2电介质材料介电常数为12+0.01i。(a)金属介电常数与介质中金属的占空比；(b)x方向介电常数实部随金属介电常数的变化；(c)z方向介电常数虚部随金属介电常数的变化；(d)x方向介电常数虚部随金属介电常数的变化[19]。KimK等人用等效分层结构从理论上研究了双曲超材料中发生的模式转换和共振吸收现象[20]，如图1-3所示。KimK研究中已经考虑了介电常数不对称情况，即介质的光轴相对于入射表面倾斜。当倾斜角为零时，如果介电常数张量的纵向分量在介质内从正值变化到负值，此时介质内内部会发生模式转换(由T模转变为L模，T模与横向等离子体振荡有关)，而横向等离子体振荡与模式转换过程无关(L模中仍包含横向等离子体振荡)。当倾斜角不为零时，发现在入射角的符号变化下，透射率和吸收率的曲线可以是不对称的，而反射率曲线则总是对称的。KimK使用不变嵌入方法计算了介电常数张量的三种构型的反射率，透射率和吸收率，发现在入射表面是双曲介质时，波长在L共振区域的
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文4的情况下，光吸收会大大增强。图1-3吸收率反射率透射率随角度变化，光轴相对于入射表面倾斜30°，介质厚度分别为0.5倍波长，1倍波长，5倍波长，20倍波长[20]。1.2.2局域等效介质理论的发展及其应用入射波波长在某些特定频率下照射纳米金属材料时，纳米金属颗粒会产生表面等离子体共振效应，等离子体共振效应会在一定程度上强化材料对入射光的吸收[21]。受局域表面等离子体共振效应的影响，如果在其他介质中嵌入了纳米金属颗粒，就得到了纳米复合介质。纳米复合介质在许多不同的领域有着卓越的应用。例如，在太阳能电池中使用纳米复合介质可以提高光吸收率[22]；在有机污染物分解时可以提高光催化率[23]；同时也可以用于构建可调控光吸收电磁特异材料等[24]。局域表面等离子体共振峰的宽度和对应波段与纳米金属颗粒的形状[25]、体积分数[26]、尺寸[27]以及填充介质的介电常数[28]均有关系。因此含有纳米金属颗粒的超材料中，纳米金属颗粒的大孝结构、形态及填充介质的分布状态都会对超材料的光学性质产生影响，这也使得理论上计算超材料的透射率和反射率变得十分复杂。为了解决超材料研究过程中透射率和反射率的计算问题，常用的方法是将超材料等效为一均匀介质，该均匀介质与原超材料具有相同的光学性质。为了能够有效的定义等效的均匀介质，需要使用表征入射电磁波与介质相互作用的物理量——介电常数。
【参考文献】：
期刊论文
[1]电磁防护超材料在国防领域中的应用与前景展望[J]. 李宝毅,赵亚娟,王蓬,周必成,张泽奎. 电子元件与材料. 2019(05)
[2]含椭球纳米颗粒复合介质的等效介电常数[J]. 李鼎,李佳玉. 航空动力学报. 2019(03)
[3]基于复折射率的偏振模型及其应用[J]. 马利祥,李范鸣,牛继勇,丁雷. 激光与红外. 2013(10)
[4]光在金属界面的传输特性研究[J]. 顾闻,邬云骅,陈岳瑞,戴仲鸿,周薇溪,郑玉祥,陈良尧. 红外与毫米波学报. 2009(01)
硕士论文
[1]光纤表面等离子体共振折射率传感研究[D]. 张敏.西安石油大学 2019
[2]人工超材料光传输特性的研究[D]. 赵思聪.电子科技大学 2013
本文编号：2915978
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