介质层包裹贵金属纳米结构的近场光学性质研究

论文摘要

介质层包裹的贵金属纳米结构是当前纳米光子学研究中的热点。纳米贵金属可以通过调控其纳米结构的尺寸、形貌、材质、周围介质的光学性质，来实现相应光学特性的调控。这种独特的光学性质使得该类材料在生物、化学探测，传感，光通讯，光学信息存储，显微，成像等领域都具有广阔的应用前景。本文以有限元数值模拟方法分别对对称和偏心介质层包裹下的银纳米线二聚体结构进行了电磁场的数值模拟，分析并优化了相应的电场增强，提供了一种新的可用于表面增强拉曼散射(SERS)的优良基底。具体的研究内容和研究结果如下：首先，对研究方法的可靠性进行了验证，对G. Bachelier等人的工作进行了重复，结果与文献结果吻合很好。第二，对对称包裹的银纳米线二聚体的近场光学性质进行了模拟，讨论了基底周围介质的折射率以及包裹层厚度对其光学性质的影响。得到在不同基底折射率和厚度影响下，系统电场增强随入射光波长的变化曲线，并对电磁场模拟的结果进行了分析。在方法上，由于介质的折射率和包裹层的介质的厚度是相对独立的参量，进而考虑在一个参量取得优化值的基础上对另一个参数进行优化，最终可以得到整体设计上的优化。发现纳米系统表面等离子体共振波长随周围介质折射率及包裹层厚度增加而红移，并分别呈线性与非线性变化。第三，对偏心包裹的银纳米线二聚体的近场光学性质进行了研究，并对偏心包裹的基底的相应参量进行了调制。得到系统电场增强随入射光波长的变化曲线，并对结果进行分析。考虑电磁场模拟结果的可重复性及增强峰的量级，提供了一种新的性能优良的SERS基底。结果表明系统周围介质的折射率以及偏心包裹层的厚度的增加都会引起表面等离子体共振峰峰值波长的红移。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米及纳米结构
• 1.1.1 纳米及纳米科技
• 1.1.2 纳米结构
• 1.2 纳米材料光学特性
• 1.2.1 红移和蓝移现象
• 1.2.2 纳米材料的颜色
• 1.2.3 纳米材料的光吸收
• 1.3 贵金属纳米结构独特的光学性质
• 1.3.1 贵金属
• 1.3.2 独特的光学性质及应用
• 1.3.3 光学增强的机理
• 1.4 贵金属纳米结构的研究现状
• 1.5 本文的主要工作及研究意义
• 第二章 数值模拟基础
• 2.1 麦克斯韦方程组
• 2.2 数值模拟方法
• 2.2.1 常用方法
• 2.2.2 有限元方法的基本原理
• 2.3 多物理场耦合软件
• 2.4 介电常数
• 2.5 方法可靠性
• 第三章 介质层对称包裹银纳米线二聚体的近场光学性质研究
• 3.1 引言
• 3.2 结构模拟及讨论
• 3.3 本章小结
• 第四章 偏心包裹银纳米线二聚体的近场光学性质研究
• 4.1 引言
• 4.2 数值模拟及讨论
• 4.3 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表论文情况
• 附录一：MIE 理论推导
• 附录二：论文中所使用的光学常数列表