论文摘要
表面增强拉曼散射（SERS）因具有极高的检测灵敏度及在原位条件下获得表面物种极其丰富的振动信息而发展成为表面科学的重要工具之一。它的应用范围十分广泛,涉及化学、物理学、生物学、纳米科学等诸多领域。然而,SERS的增强机理究竟源自于物理增强还是化学增强迄今难以定论,并且在SERS基底制备方面还存在增强效率低和重现性不好等缺点,这些都阻碍了SERS进一步的发展和应用。本论文将结合实验结果,重点通过三维时域有限差分法（3D-FDTD）对稳定性高、SERS活性好的金纳米结构基底的电磁场增强进行理论模拟,讨论粒子的尺寸、近场耦合以及激发光波长等因素对其SERS活性的影响。论文共分四部分。前言部分介绍了SERS的发展、SERS基底的制备方法及其研究现状,并在此基础上提出本论文的主要设想及工作思路。第二章简单介绍了三维时域有限差分法（3D-FDTD）的工作原理及金属的介电系数的Debye修正公式。第三章研究金纳米粒子球的尺寸对其SERS活性的影响。通过以实验上合成一系列粒径不同（16 nm到160 nm）的金纳米粒子球作为SERS基底,发现120-135 nm的金纳米粒子在632.8nm波长激发下具有最强的SERS活性。通过3D-FDTD模拟,从理论上分析了金纳米结构的SERS基底的电磁场分布,探讨了粒子尺寸与SERS活性的关联。第四章主要定量研究金纳米粒子的近场耦合、激发光波长等因素对其SERS活性的影响。研究结果解释了金在325 nm激发线下检测不到紫外光激发的表面增强拉曼信号（UV-SERS）的原因。本论文工作得到了如下一些研究成果:1、详细探讨了影响金纳米粒子球SERS活性的尺寸效应。利用三维时域有限差分法,对不同尺寸的球形金纳米粒子进行电磁场增强的理论计算,结果与实验相吻合。同时对目前实验上尚难以合成的大尺寸的金纳米粒子进行模拟,结果表明受多极矩和大尺寸效应的影响在粒径220nm时又出现SERS增强另一峰值,这对今后合成金纳米粒子实验具有一定的指导意义。2、定量研究了近场耦合、激发光波长等因素对金纳米基底的SERS活性的影响。研究结果表明,邻近粒子之间的近场耦合效应,将对金纳米结构SERS的电磁场增强起关键性作用。当纳米粒子之间存在数纳米间隔时将产生很强的局域电磁场增强,是SERS增强的热点。当粒子紧靠在一起时由于粒子间的电荷交换使得表面等离子体共振（SPR）增强效应减弱,导致基底的SERS活性下降。随着纳米粒子之间间隔的增大,局域电磁场急速下降。当间隔达到纳米粒子本身大小时,粒子之间的耦合效应可忽略不计。对激发光波长与SERS增强效应的关联的研究表明,随着波长的红移,最强SERS增强效应所对应的粒径有越来越大的趋势。3、本论文还对Au纳米粒子在紫外区的SERS增强特性进行了初步的理论分析。由于紫外光激发引起的金的带间跃迁导致不能有效地激发表面等离子体共振,且目前拉曼谱仪在紫外光区的检测灵敏度远低于可见光区,故实验上在UV光区难以获得金纳米粒子的UV-SERS信号。3D-FDTD模拟结果与实验的一致性证实了金纳米结构SERS基底的活性主要源自电磁场增强效应,这对进一步揭示SERS的复杂增强机理有所裨益。同时研究结果对今后如何针对特定的激发光制备出高效、稳定SERS基底有较大的借鉴意义。
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标签：表面增强拉曼散射论文; 金纳米粒子论文; 三维时域有限差分法论文;