FDTD仿真纳米颗粒传感特性及应用研究

发布时间：2020-09-14 18:33

　　 航运业高速发展的同时,船舶在行进过程中对海洋造成的污染日趋增长。目前急需研发精度高、便携的微纳检测技术,用于实时性的低浓度污染物预警。基于纳米粒子LSPR效应是SERS等检测提升手段的重要依据,消光能力强和灵敏度高的光学性能优异的纳米粒子是构成微纳传感器检测污染物的应用基础,也是本文的重要研究对象。本文的主要研究工作如下:(1)通过文献调研,介绍了贵金属与电介质、导体、半导体材料相结合的复合纳米结构的实用性和可仿真性,综合复合结构的优势和传统单一纳米团簇结构的研究,本文提出了非金属纳米椭球(X)与银纳米球的X@Ag复合结构,分别选取了常见有代表性的电介质材料Al_2O_3、SiO_2,导体材料C(石墨烯)和半导体材料TiO_2作为非金属纳米椭球的材料,通过对不同尺寸的X@Ag复合结构中改变Ag球位置、纳米椭球纵横比参数的仿真计算得到LSPR共振响应最强对应的最佳复合结构几何参数,并通过电场图局域增强的现象和成键杂化理论解释了仿真得出的最优几何结构的LSPR效应机理,进一步计算得到了不同材料纳米椭球与银球复合结构在最佳尺寸下的消光能力对比和折射率灵敏度对比。(2)结合纳米网状结构重要的科研价值及银纳米小球在椭球两端时有最强LSPR共振响应的特点,本文设计了由X@Ag复合结构单体“端对端”组成的网状阵列,Ag金属球与非金属纳米椭球交替排列。通过对消光谱图的计算和电场分布图证实了X@Ag网状阵列结构具有较X@Ag复合结构单体更强的LSPR共振强度和局域电磁场耦合增强;通过进一步的仿真计算对比得到同一纳米粒子尺度下,X@Ag网状阵列结构的折射率灵敏度和消光强度均大于X@Ag复合结构单体。即证实了X@Ag复合结构单体组成网状阵列能进一步提升性能。本文计算的X@Ag纳米粒子复合结构具有单峰性和峰宽窄特性,折射率灵敏度和LSPR共振强度均有进一步提高的空间,具备了开发成优良微纳传感器并且在生化检测领域应用的潜力。
【学位单位】：集美大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X736.3;X55
【部分图文】：

发性碳氢化合物，由于其生物累积性、致癌性、极大关注。分析 PAHs 的脂溶性特征可知几乎不的污染物可积累到有害的浓度，因此，早期检证实了碗状银腔薄膜具有表面增强拉曼散射光水性高，亲和性低的问题，该课题组引入了 1,硫醇的一个硫氢基能通过形成银-S 共价结合键非极性化合物吸附，从而实现了有毒污染物多分子的另一个硫氢基可用于将沉积银纳米分子环芳烃/碗状银腔薄膜的薄膜多层结构，并证实度地增强拉曼信号；通过调节碗状银腔薄膜的需要昂贵的仪器仪表，可延伸至其他非极化有贵金属金表面等离子体共振特性开发了便携式实现了环境水质微囊藻毒素及海洋环境赤潮毒环境。同样的将污染物吸附在表面增强拉曼散射

属材料的表面等离子体共振相互耦合，这一特性能被传感器敏染气体的检测与净化。研究方面，随着对纳米材料研究的逐渐深入，科学界研究热究发展到了现在多种材料复合结构的研究当中，并取得了较有代表性的结构有三明治层状结构、核壳结构或是其他比较的合理组合有利于发挥各纳米材料之间优势，取长补短，多米粒子的传感性能更加突出亦或是性能更加全面等的优点，。2018年，刘晓宇等人在不同尺寸Au@Ag核壳纳米粒子中壳纳米粒子，实现了对罗丹明6G的微量检测[27]。2016年，2多层复合结构，并通过实验测量证明了Ag/SiO2多层复合结，增强拉曼信号强度，避免复杂和不必要的化学修饰[28]。Zn引起可探测的电动势和电流的变化，这种性质为PH值的检测Hiba S. Rasheed等人设计ZnO/Ag/ZnO(ZAZ)三层纳米微结构定，在ZnO夹层中引入了Ag纳米层能降低体系的电阻率，增30]。

可以分为两种不同的类型：体内等离子体激元和表面等离子体激元，表面等离子据分布几何结构不同又可分为两种子类目：沿着平面表面传播的表面等离子体和米粒子有界物体弯曲表面处的局域等离子体。图 2-1 展示了自由电子在三种不同的几何结构材料中，围绕带正电的原子核周围模型：块状材料，纳米薄膜和纳米球体。当光波入射时，三种不同的几何结构材三种不同的等离子体激元：块状材料内部传播体等离子体激元(图 2-1(a))，它是子或价电子产生的纵波，体等离子激元现象包含了材料的固有属性，,体等离子，半导体和绝缘体的内部；薄膜材料(图 2-1(b))能够产生沿着表面传播表面等离，金属薄膜有助于表面等离子体激元在薄金属膜与真空或介质交界面处传播。单寸的粒子(图 2-1(c))能够形成局域表面等离子体激元，局域表面等离子体激元是于粒子表面与真空或媒介交界面处的驻波。上述的三种几何结构都能够形成体等。表面等离子体激元既能够平面表面传播又能够局域在弯曲的表面，同时，其能不同的介质交界面，如真空，液体或固体。米氏理论用自由载流子集体振荡与边型解释了表面等离子体激元现象。

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本文编号：2818515