Ag纳米粒子在太阳能电池、磁Fano共振和有机物催化方面的应用研究

发布时间：2017-10-06 23:08

  本文关键词：Ag纳米粒子在太阳能电池、磁Fano共振和有机物催化方面的应用研究

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【摘要】：以表面等离激元(surface plasmon)为基础的等离激元光学(plasmonics)已经成为物理、化学、材料和生物领域的研究重点。表面等离激元是由外界入射光电磁场与金属表面的自由电子相互作用而引发金属表面自由电子集体振荡产生的电磁波。如果入射光的频率与金属表面自由电子的固有频率相一致时,电场就会被局限在金属表面,并使得金属周围的电场增强,这使得金属与介质面产生独特的光学性质。而纳米粒子体系中各粒子间局域表面等离激元耦合也会产生电场增强等光学现象。通过改变贵金属纳米结构的尺寸金属,贵金属的材料,粒子周围介质环境,入射光的角度和类型等均能够对光有效而精准的调控。这促使亚波长结构的贵金属结构广泛应用于光电子器件。现阶段贵金属纳米结构已经被应用到医学、光学传感、太阳能电池,生物催化以及天文等多个方面。基于表面等离激元具有的特殊性质及其研究现状,目前大多数研究已经分别在等离子体太阳能电池,生物传感和光催化等方面都取得了很大的成功,因此本文设计了不同的贵金属纳米结构体系,分别就这三个方面进行研究和探讨,利用基于有限元方法的软件Comsol Multyphysics模拟分析这三类纳米结构的光学性质,分析了其对光的吸收,散射和消光特性,通过结合电场分布,磁场分布,电荷分布和电流密度分布进一步得出产生这些光学特性的本质原因。本研究主要包括三个方面：第一部分：等离子体薄膜太阳能电池通过改进传统的平滑的薄膜非晶硅太阳能电池表面,设计其表面成为栅型,进一步在非晶硅的底端置入一排银纳米粒子阵列,分析结构的对可见光的吸收光谱和峰值处的电场分布情况,优化模型使得结构在可见光区域对光有很强和宽的吸收。计算优化后模型中非晶硅对太阳光的吸收光谱和效率,光栅型表面有助于等离子体太阳能电池对400～700纳米处光的吸收,平均吸收率在90%以上,而电池底端置入的银纳米粒子有助于电池对700～900纳米范围内光的吸收。将此模型应用于太阳能电池中有利于电池对光的吸收进而提高电池效率。第二部分：纳米Y-型裂缝圆盘三聚体中电-磁Fano共振的调控在普通的银圆片上,开一个Y-型的裂缝,完整圆盘均分成三个扇形进而形成三聚体,计算纳米三聚体在可见光范围内的消光谱,分析消光峰值处的电场分布,磁场分布,电荷分布和电流密度图,得出此三聚体在长波长处会出现偶极磁共振模式,暗态磁共振模式和亮态偶极电共振模式,通过等离激元杂化理论得出,亮态和暗态之间耦合能够形成Fano共振,Fano共振可通过对三聚体的各项参数进行调控。这种电-磁之间的Fano共振可应用于光学传感器中。第三部分：TiO_2/贵金属核/壳纳米结构对光的调控设计TiO_2/贵金属核/壳纳米结构,分析核/壳结构产生的模式,改变核／壳比对核/壳纳米粒子产生的影响。计算复合核/壳结构纳米粒子对可见光的吸收光谱,能够将纯TiO_2的吸收调节至可见光,通过调节核/壳比来调节粒子共振吸收峰的位置,可将此模型应用与对有机物污染物的催化方面。
【关键词】：表面等离激元 贵金属纳米粒子 等离子体太阳能电池 催化 Fano共振
【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O614.122;TB383.1
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-21
• 1.1 表面等离激元9-10
• 1.2 表面等离激元共振及其性质10-11
• 1.3 本文的研究方法11-14
• 1.3.1 Comsol Multyphysics11-14
• 1.3.2 主要公式14
• 1.4 贵金属纳米结构的特点14-19
• 1.4.1 纳米结构的四大效应14-15
• 1.4.2 贵金属纳米结构共振的调节15-19
• 1.5 本文研究内容及研究意义19
• 1.6 本文创新点19-21
• 第2章 宽频吸收的光栅型表面等离子体太阳能电池21-29
• 2.1 引言21-22
• 2.2 模型介绍22-24
• 2.3 结果与讨论24-27
• 2.3.1 光栅型宽度对电池的吸收效率的影响24
• 2.3.2 银纳米粒子位置对吸收效率的影响24-26
• 2.3.3 银纳米粒子半径对非晶硅吸收效率的影响26
• 2.3.4 周期宽度对非晶硅吸收效率的影响26-27
• 2.4 本章小结27-29
• 第3章 Y-型裂缝圆盘三聚体的磁性Fano共振研究29-39
• 3.1 Fano共振产生的机理和研究现状29-30
• 3.2 磁性Fano共振30
• 3.3 圆盘三聚体的结构和方法30-31
• 3.4 结果与讨论31-37
• 3.4.1 三聚体的消光特性31-33
• 3.4.2 裂缝宽度和尺寸对三聚体纳米粒子的消光曲线的影响33-35
• 3.4.3 Y-型裂缝位置对三聚体消光特性的影响35-36
• 3.4.4 三聚体对介质敏感程度的研究36-37
• 3.5 本章小结37-39
• 第4章 TiO_2/贵金属核/壳结构在水中对光的吸收研究39-47
• 4.1 引言39-40
• 4.2 TiO_2/贵金属核/壳结构模型介绍40
• 4.3 结果与讨论40-46
• 4.3.1 不同半径TiO_2纳米粒子的吸收光谱40-42
• 4.3.2 TiO_2/Ag核/壳结构的吸收光谱42-44
• 4.3.3 TiO_2/Au核/壳结构的吸收光谱44-46
• 4.4 本章小结46-47
• 第5章 结论与展望47-49
• 参考文献49-57
• 致谢57-59
• 攻读硕士期间的研究成果59

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本文编号：985517