金纳米结构表面等离激元效应及其光学特性研究
发布时间：2021-03-22 16:26
金纳米结构的表面等离激元效应以及其光学性质的深入研究不仅可以扩展人们对光和物质相互作用的了解,而且可以促进其在太阳能电池增效、荧光增强、三维显示等领域中的应用。表面等离激元是自由电子在入射光的电磁场作用下产生集体振荡的现象。表面等离激元的表面局域性和近场增强性,实现在纳米尺度上对结构周围的电磁信号进行调控。本文从手性金纳米结构和金—荧光团复合结构的制备与光学性质两方面入手,较为系统的研究了金纳米结构的手性效应和荧光效应。利用仿真模拟计算手性金纳米结构的光学特性以及利用简单的复合结构研究局域表面等离激元对材料荧光特性影响,主要研究内容如下:1.以COMSOL有限元仿真模拟为手段,分别研究了双“L”形纳米结构和双螺旋纳米结构的光学特性,特别是两者的圆二色性。通过在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的不同作用下,得到不同的电场分布和消光系数。这两种结构的手性效应可以用表面等离激元杂化模型分析。单个“L”形纳米结构或者单个螺旋纳米结构不具有手性效应。当双“L”形纳米结构之间的距离小于300纳米（双螺旋纳米结构之间的距离小于400纳米）才具有明显的圆二色性响应,这是因为金纳米结构表面等离激元具有局域性和...
【文章来源】：华东师范大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：136 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
(a)传导型的SPP；(b)金属纳米颗粒的LSP[15]
第一章绪论3目前研究中主要通过改变金属纳米结构的尺寸、形貌、组成材料以及周围环境介质的介电常数得以实现调控表面等离激元。表面等离激元效应所引起的一个直观现象就是当金纳米颗粒的粒径发生变化时，其相关水溶液的颜色也会发生变化。这是因为当金纳米颗粒的粒径改变时，其表面的电场分布也发生了变化，随之导致金纳米颗粒的电子振荡频率，吸收截面，散射截面，消光截面等发生改变从而导致水溶液颜色各异。因此金属纳米结构的参数以及周围环境因素都会不同程度地影响表面等离激元效应。实验上调控金属表面等离激元简单有效的方法是改变金属纳米结构的尺寸或者形貌，常用方法有：水热合成法、自组装法、掩模板生长法以及聚焦离子束刻蚀法等[16-18]。1.2.2表面等离极化激元SPP是一种金属表面的自由电子与入射光场相互作用在金属/介质界面上产生的电磁模式，该电磁模式是只能沿着平坦光滑的金属/介质界面传输的电子疏密波，且在垂直于界面的方向上强度随着距离的增大出现指数衰减，其中有效距离最大值约为50纳米[19]。如图1.2所示，SPP沿着金属/介质界面的传输情况，相关的电荷分布和以疏密波的模式进行传输的电磁场的示意图。图1.2(a)在金属/介质界面上，激发的SPP的电荷和电磁场分布示意图；(b)电磁场强度在金属/介质界面处的消逝特性[20]。如图1.2(a)所示，我们把Z=0处定义为金属/介质界面，且把垂直于界面的Z方向定义为法线方向，SPP沿着X轴方向进行传输。Z>0的范围为介质，其
第一章绪论5图1.3SPP（实线）和自由传播的电磁波（虚线）的色散曲线[20]。SPP虽然理论上可以在金属与介质的界面上实现自由传输，但是实际上由于金属材料自身的耗损，电子疏密波的传输过程会存在能量衰减，因此传输距离将变得十分有限，通常情况下也只能实现几百纳米到微米的量级[4,20]。但也正是SPP只能沿着界面的方向传输的特点，相关的电荷、电磁场和能量等只能高度局域在界面附近很小的区域内，可以扩展到光信号传输方面，进行代替电介质传输光信号的研究。1.2.3局域表面等离激元当金属纳米结构（如纳米棒、纳米星、纳米颗粒等）的表面是粗糙的或者具有细小的凹凸时，表面等离激元会被高度局域在金属纳米结构的内部以及界面附近范围内。这种只能以驻波模式进行振荡而不能以波的形式传输的表面等离激元被称为LSP。与SPP不同的是LSP是一种在粗糙或者具有细小凹凸的金属纳米结构中产生的非传播电磁模式，且能直接被入射光激发，金属纳米结构的表面若非平坦光滑时，那么LSP将占据主导地位[5,22]。虽然两种不同类型的表面等离激元都具有表面局域性，但是SPP只有沿着界面这一个传输方向因此具有的是一维空间的局域性，而LSP主要局域在各种金属纳米结的曲面上因此具有的是两
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于DNA自组装的手性等离子体纳米结构研究进展[J]. 王猛,董今一,王强斌. 科学通报. 2019(10)
[2]电场调谐InAs量子点激子精细结构劈裂[J]. 李文生,孙宝权. 内蒙古大学学报(自然科学版). 2012(06)
[3]InAs单量子点精细结构光谱[J]. 李文生,孙宝权. 发光学报. 2009(06)
[4]用时域ABCD矩阵元表达的时间菲涅耳数[J]. 张筑虹,范滇元. 光学学报. 1991(11)
博士论文
[1]表面等离激元纳米结构的局域场增强特性[D]. 单锋.东南大学 2018
[2]局域表面等离激元与激子的耦合研究[D]. 周宁.浙江大学 2016
[3]有机光伏电池中金属纳米结构的表面等离激元效应研究[D]. 朱锦锋.电子科技大学 2012
硕士论文
[1]稀土上转换发光材料性能研究[D]. 李晓鹏.黑龙江大学 2014
本文编号：3094112
【文章来源】：华东师范大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：136 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
(a)传导型的SPP；(b)金属纳米颗粒的LSP[15]
第一章绪论3目前研究中主要通过改变金属纳米结构的尺寸、形貌、组成材料以及周围环境介质的介电常数得以实现调控表面等离激元。表面等离激元效应所引起的一个直观现象就是当金纳米颗粒的粒径发生变化时，其相关水溶液的颜色也会发生变化。这是因为当金纳米颗粒的粒径改变时，其表面的电场分布也发生了变化，随之导致金纳米颗粒的电子振荡频率，吸收截面，散射截面，消光截面等发生改变从而导致水溶液颜色各异。因此金属纳米结构的参数以及周围环境因素都会不同程度地影响表面等离激元效应。实验上调控金属表面等离激元简单有效的方法是改变金属纳米结构的尺寸或者形貌，常用方法有：水热合成法、自组装法、掩模板生长法以及聚焦离子束刻蚀法等[16-18]。1.2.2表面等离极化激元SPP是一种金属表面的自由电子与入射光场相互作用在金属/介质界面上产生的电磁模式，该电磁模式是只能沿着平坦光滑的金属/介质界面传输的电子疏密波，且在垂直于界面的方向上强度随着距离的增大出现指数衰减，其中有效距离最大值约为50纳米[19]。如图1.2所示，SPP沿着金属/介质界面的传输情况，相关的电荷分布和以疏密波的模式进行传输的电磁场的示意图。图1.2(a)在金属/介质界面上，激发的SPP的电荷和电磁场分布示意图；(b)电磁场强度在金属/介质界面处的消逝特性[20]。如图1.2(a)所示，我们把Z=0处定义为金属/介质界面，且把垂直于界面的Z方向定义为法线方向，SPP沿着X轴方向进行传输。Z>0的范围为介质，其
第一章绪论5图1.3SPP（实线）和自由传播的电磁波（虚线）的色散曲线[20]。SPP虽然理论上可以在金属与介质的界面上实现自由传输，但是实际上由于金属材料自身的耗损，电子疏密波的传输过程会存在能量衰减，因此传输距离将变得十分有限，通常情况下也只能实现几百纳米到微米的量级[4,20]。但也正是SPP只能沿着界面的方向传输的特点，相关的电荷、电磁场和能量等只能高度局域在界面附近很小的区域内，可以扩展到光信号传输方面，进行代替电介质传输光信号的研究。1.2.3局域表面等离激元当金属纳米结构（如纳米棒、纳米星、纳米颗粒等）的表面是粗糙的或者具有细小的凹凸时，表面等离激元会被高度局域在金属纳米结构的内部以及界面附近范围内。这种只能以驻波模式进行振荡而不能以波的形式传输的表面等离激元被称为LSP。与SPP不同的是LSP是一种在粗糙或者具有细小凹凸的金属纳米结构中产生的非传播电磁模式，且能直接被入射光激发，金属纳米结构的表面若非平坦光滑时，那么LSP将占据主导地位[5,22]。虽然两种不同类型的表面等离激元都具有表面局域性，但是SPP只有沿着界面这一个传输方向因此具有的是一维空间的局域性，而LSP主要局域在各种金属纳米结的曲面上因此具有的是两
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于DNA自组装的手性等离子体纳米结构研究进展[J]. 王猛,董今一,王强斌. 科学通报. 2019(10)
[2]电场调谐InAs量子点激子精细结构劈裂[J]. 李文生,孙宝权. 内蒙古大学学报(自然科学版). 2012(06)
[3]InAs单量子点精细结构光谱[J]. 李文生,孙宝权. 发光学报. 2009(06)
[4]用时域ABCD矩阵元表达的时间菲涅耳数[J]. 张筑虹,范滇元. 光学学报. 1991(11)
博士论文
[1]表面等离激元纳米结构的局域场增强特性[D]. 单锋.东南大学 2018
[2]局域表面等离激元与激子的耦合研究[D]. 周宁.浙江大学 2016
[3]有机光伏电池中金属纳米结构的表面等离激元效应研究[D]. 朱锦锋.电子科技大学 2012
硕士论文
[1]稀土上转换发光材料性能研究[D]. 李晓鹏.黑龙江大学 2014
本文编号：3094112
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