低维材料表面等离子激元结构设计及SERS应用研究

发布时间：2021-06-23 20:37

　　表面等离子激元是存在于金属-介电材料界面的自由电子的集体相干振荡。它分为局域表面等离子激元和传播表面等离子激元两种。在金属-介电材料界面和金属之间的纳米间隙附近,光的能量密度及局域电场强度得以极大增强,形成“热点”。所以,表面等离子激元可以在纳米光子学系统中有效地促进光和物质的相互作用。这个显著的特点使其在纳米激光、太阳能电池、催化、生化传感、表面增强拉曼散射等应用中具有广泛的研究价值。制备高性能表面等离子激元纳米结构,又方便后续的应用是研究学者们孜孜不倦追求的目标。本文在实验和理论中设计低维纳米材料复合结构实现表面等离子激元,讨论生长参数和填充组分对表面增强拉曼散射的影响。利用物理气相沉积热蒸镀法、退火工艺和化学合成法制备均匀的金属纳米结构,利用化学气相沉积法和前驱体热分解法制备大面积的、高质量的石墨烯和二硫化钼新型二维材料薄膜,为表面等离子激元结构的设计做前期准备。利用理论模拟软件对表面等离子激元结构的局域电场分布进行设计,实现局域场增强。将理论设计与实验制备相结合,制备性能优异的表面增强拉曼散射基底,通过对罗丹明6G分子的检测验证拉曼增强基底指标。通过设计实验,将制备的表面等离子... 

【文章来源】：山东师范大学山东省

【文章页数】：137 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图1.1两种类型的表面等离子激元示意图：（a）金属纳米球支持的局域表面等离子激元（b）金

山东师范大学博士学位论文30，这就是贵金属（如银、金和铜等）在紫外到红外波段产生等离子激元共振的条件。与传统的贵金属材料相比，新型的薄膜二维材料包括碳基材料（例如石墨烯）和过渡金属硫化物（例如二硫化钼）等，表面等离子激元产生在红外波段。不同材料的表面等离子激元共振所覆盖的波长范围如图1.2所示[1]。图1.2不同材料的表面等离子激元共振所覆盖的波长范围[1]。局域表面等离子激元是金属纳米结构的传导电子和电磁场耦合的结果。我们能看出在振荡的电磁场中，这些模矢来自于亚波长尺寸金属纳米结构的散射问题。因此，受光照刺激，在金属纳米结构里面或者外面近场区域，共振产生并引起电场增强。为了探究表面等离子激元的物理机制，首先要考虑金属纳米结构与电磁波的相互作用是否达到共振条件，随后研究金属纳米结构形貌、尺寸、以及结构之间的耦合效应的等离子激元共振来进一步讨论阻尼过程。除了金属纳米结构可以支撑局域表面等离子激元共振，一些介电材料耦合进金属纳米结构或者修饰在表面或者作为壳层可以作为增益媒介，也为局域表面等离子激元共振创造了条件。假设一个尺寸为a的金属纳米颗粒和一个波长为电场相互作用，这里我们可以用简单准静态近似（a）来分析。因此，一个谐波振荡的电场对尺寸很小的颗粒来说相位是恒定的，所以利用简单准静态近似可以计算出颗

山东师范大学博士学位论文4粒的空间电场分布，然后再把时间加入已知解中。下面我们举个例子来求解：如图1.3，一个半径为a的均匀金属纳米颗粒位于一个均匀的静电场0E=Ez中，周围媒介是非吸收和各向同性的，介电常数为d，电场线平行于z轴并且与金属纳米颗粒距离足够远，金属纳米颗粒的介电响应可以描述为一个函数()（暂时写为一个简单复数）。用简单准静态近似方法，关于电势的Laplace方程：2=0，（1.7）因此，我们能得到电场：E=，（1.8）图1.3处于静电场中的金属纳米颗粒示意图。这里方程的一般解为：(1)0(,)[](cos)llllllrArBrP+==+，（1.9）其中，(cos)lP是l阶勒让德多项式，是向量P与z轴的夹角。此体系满足边界条件电势保持不变，因此可以得到：in0(,)(cos)llllrArP==，(1.10)(1)out0(,)[](cos)llllllrBrCrP+==+。(1.11)其中，lA、lB和lC由边界条件r→和纳米颗粒表面r=a确定，当r→时，

【参考文献】：
期刊论文
[1]表面等离子共振生物传感技术及仪器化的过去、现在与未来[J]. 定翔,余兴龙,耿俊清.  现代科学仪器. 2012(03)



本文编号：3245615