基于FDTD方法的半经典纳米结构电磁特性研究

发布时间：2017-10-04 03:36

  本文关键词：基于FDTD方法的半经典纳米结构电磁特性研究

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【摘要】：随着科学技术的飞速发展,各种新型材料电磁特性已经成为人们的研究焦点。本文研究的纳米结构材料,就是当下的热点之一。纳米结构,是指以本身有一维度尺寸达到纳米级,即在100nm以下的物质单元为基础构成的结构体。纳米级物质单元包括很多种,天然的纳米颗粒、人造的纳米尺寸孔径都是纳米结构。因为实验技术和制造技术的日趋成熟,金属纳米结构的深入研究成为为可能。在人们熟知的如传感、光学、电子光学等众多方面存在着非常巨大应用价值。然而,由于纳米材料的尺寸及实验技术的限制,仍然有许多现象会被忽视,依然等待着人们的深入研究。例如等离子体的观察研究中的很多现象,是表面等离子体的激发引起的,这种激发,是一种靠近金属-绝缘体界面的导带电子的集体运动；在纳米尺寸下,间距较近、具有尖锐结构的金属离子、结构中(这些结构中,光的衍射极限、光学特性的可调谐性被极度压缩),有着许许多多与表现等离子体相关的电场极度增强效应的现象。这些吸引人的特性已经在不同的领域广泛应用,比如表面增强拉曼光谱学、生物传感、等离子体波导以及癌症治疗等等。这些光学性质很大一部分跟材料所处的系统有关,比如系统的结构、成分、周围介质等等,特别地,当贵金属和光相互作用,会引起纳米结构表明的导带电子激发,演变成一种称为表面等离子振荡(LSPRs)的相干振荡(这种振荡与频率相关)。类似于LSPRs这样的金属纳米结构的光学性质,具有巨大的研究价值。通常,经典的电动力学可以很好的解释介质结构的特性。然而,随着被研究的介质尺寸的减小,进入纳米级,这种结构可能只包含了几个原子,实验数据与经典电动力学结果出现了不可忽视的偏差。这种偏差,由于量子效应的存在,用经典电动力学研究方法不能够准确的解释。即使是相对较大的尺寸中,也会发现此种偏差,只不过由于其他原因,这种偏差不是很明显。近年来,对于这种纳米尺寸金属结构的光学特性研究,有需多方法被使用,如利用Mie理论对经典结构(如球、柱结构)的研究,使得电磁学更加严谨。本文将传统的Drude模型进行修正,使其具有空间色散特性,并把这种光学特性称为非局域(nonlocal)特性。并将模型引入到时域有限差分法(FDTD)中,得到一个完整的、系统的研究方法,对金属纳米材料的经典、半经典结构的光学特性进行了研究。本文的研究对于亚波长器件设计可以起着工具、参照等作用。本文主要工作有：1.贵金属实验数据的高效拟合。将经典的Drude+Lorentz模型中介电常数表达方式进行修改,加入空间色散特性,使其与波矢k相关,从而使介电常数与其相邻结构有关。进而精确描述贵金属电磁特性。2.将修改后的Drude+Lorentz模型引入到FDTD中进行离散。得出含有修正色散模型的FDTD算法,及C++程序。实现了其数值模拟。3.通过对经典结构的电磁模拟,将含有非局域特性的FDTD数值结果与解析结果相对比,验证本方法的可行性。这里,主要用消光截面进行比较,因为在纳米尺寸下,吸收效应占据着主要地位。4.对半经典一维、二维、三维纳米结构光学特性进行系统研究,通过改变结构参数、二维与三维结果交叉对比,分析影响非局域特性的主要因素,得出非局域特性的一般性特点。
【关键词】：时域有限差分法 金属纳米结构 消光截面
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 引言9-13
• 1.1 研究背景9
• 1.2 简述纳米结构光学特性9-11
• 1.3 数值方法的简述11-13
• 1.3.1 矩量法11
• 1.3.2 有限元法11-12
• 1.3.3 边界元法12-13
• 第二章 时域有限差分法的基本原理13-27
• 2.1 Maxwell方程组和Yee元胞13-17
• 2.2 二维直角坐标系中的Maxwell方程组的差分形式17-19
• 2.3 数值稳定性19-21
• 2.4 吸收边界条件21-23
• 2.5 激励源23-24
• 2.6 计算区域的划分和源的加入24-26
• 2.7 本章小结26-27
• 第三章 非局域特性27-35
• 3.1 建立模型27-28
• 3.2 光学截面定义28-30
• 3.3 金属的非局域特性30-31
• 3.4 迭代公式31-34
• 3.5 本章小结34-35
• 第四章 一维、二维半经典纳米结构的光学特性35-55
• 4.1 经典纳米结构的研究36-44
• 4.1.1 传输特性36-39
• 4.1.2 二维独立纳米线的光学特性39-42
• 4.1.3 二维纳米结构组成的系统42-44
• 4.2 二维半经典纳米结构44-49
• 4.2.1 尺寸的影响45-46
• 4.2.2 距离的影响46-47
• 4.2.3 衬底厚度的影响47-48
• 4.2.4 不同形状的衬底纳米线48-49
• 4.3 二维包层49-50
• 4.4 球壳模型50-53
• 4.4.1 固定厚度51-52
• 4.4.2 固定比例52-53
• 4.4.3 变化厚度53
• 4.5 本章小结53-55
• 第五章 三维经典、非经典纳米结构的非局域特性55-64
• 5.1 三维经典纳米结构的非局域特性研究55-58
• 5.1.1 纳米金属球55-56
• 5.1.2 三维半经典纳米结构的非局域特性56-58
• 5.2 三维纳米结构组成的系统58-59
• 5.3 环结构59-63
• 5.3.1 固定内径r60-61
• 5.3.2 固定比例61-62
• 5.3.3 变化内径r62-63
• 5.4 本章小结63-64
• 第六章 总结与展望64-65
• 参考文献65-70
• 致谢70-71
• 攻读硕士学位期间的研究成果71

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

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本文编号：968447