金属纳米颗粒阵列的LSPR效应理论仿真研究答辩

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1、金属纳米颗粒阵列的LSPR效应理论仿真研究Theresearchandsimulationoflocalizedsurfaceplasmonresonance(LSPR)ofarraysofnoblemetal简介贵金属(主要指金、银)受光照射时，当入射光子频率与贵金属纳米颗粒中的自由电子的集体振动发生共振时会产生局部表面等离子体共振，这就是贵金属纳米粒子的LSPR(LocalizedSurfacePlasmonResonance)现象。即出现贵金属吸收光谱的吸收峰。LSPR传感器原理：利用金属颗粒表面附近的折射率的微小变化转换成可测量的波长位移，从而实现高灵敏度的传感。科学研究已表明贵金属纳

2、米粒子的LSPR现象与纳米粒子材料、形状、尺寸（大小）、所处介质等有关。本文主要通过DDA算法方程——DDSCAT进行纳米粒子的光谱吸收仿真，并分析各因素对LSPR现象的具体影响。DDA算法介绍离散偶极近似(DiscreteDipoleApproximation，DDA)是近年发展起来的原则上可应用于任意形状及尺寸的纳米颗粒的吸收、散射及消光等光学特性进行计算的数值方法，其基本原理如下：为计算任意形状的纳米粒子的吸收、散射及消光性质,离散偶极近似首先将该粒子视为N个立方单元构成的集合体,并将每个立方单元均视为点偶极子来处理。任一个点偶极子与局域场的相互作用表示为（忽略频率因子）（1）式中,αi

3、为点偶极子极化率;Eloc包括入射光电场及其它偶极子在该处所形成的偶极场,可表示为（2）E0为入射光电场的振幅;k为波矢。相互作用矩阵有如下形式:（3）式中,将式(2)与式(3)代入式(1),整理可得到:（4）对于包含N个点偶极子的体系来说,E与P均为3N维矢量;A'为3N×3N矩阵。解此3N维复线性方程可求得极化矢量P。消光系数(包括吸收与散射两部分)可由以下方程求得:（5）应用上面的计算方法，用来对纳米粒子光谱吸收进行仿真的算法方程DDSCAT应运而生，这个是Draine和Flatau用Fortran语言编写的，用来计算纳米粒子的光学性质（吸收、散射等）程序根据颗粒形状（球体、椭球体、正四

4、面体、长方体、圆柱体、六角棱柱、三角棱柱等）自动生成偶极子阵列，对于程序中未设定的颗粒形状，用户可自定义偶极子阵列，生成此形状。光与颗粒作用时的偏振方向可由角度设定。在程序中需要设置的参数包括粒子的形状、粒子的有效半径、偶极子数目、粒子随波长变化的复介电常数等。当金属粒子并非是处于真空中时，必须要输入有效波长和颗粒有效介电常数。通过对参数进行设置，本文主要对球体、椭球体纳米颗粒在诸多条件下进行光学性质计算分析，计算结果如下：（1）半径皆为10nm的金、银纳米球在真空中的光谱吸收（2）金包裹银纳米球和金纳米球在真空中的光谱吸收与分析(外材料半径为10nm内材料半径为5nm)（3）银包裹金纳米球和

5、银纳米球在真空中的光谱吸收与分析(外材料半径为10nm内材料半径为5nm)（4）真空中银包裹金球纳米粒子在银金半径不同比例下的光谱吸收（5）处于同种介质下不同尺寸的银纳米球的吸收光谱（6）同种半径（半径为20nm）的银纳米球在不同介质中的光谱吸收半径为20nm的银纳米球吸收峰对应波长与纳米球处介质的折射率的关系(7)长短轴比例不变、尺寸改变对椭球形银纳米粒子的吸收光谱的影响[粒子的纵横比为2：1(即椭球c：b：a=2：1：1)]纵横比为2：1椭球形银纳米粒子横向吸收峰最大吸收率与短轴长的关系纵横比为2：1椭球形银纳米粒子纵向吸收峰最大吸收率与短轴的关系纵横比为2：1的椭球形银纳米粒子纵向吸收峰

6、对应的波长与纳米球尺寸(短半轴长)的关系(8)大小相同的银纳米椭球(a=b=10nm、c=20nm椭球状银纳米粒子)在不同介质中的吸收光谱a=b=10nm、c=20nm椭球状银纳米粒子的横向吸收峰对应波长与所处介质折射率的关系(非线性)a=b=10nm、c=20nm椭球状银纳米粒子的纵向吸收峰对应波长与所处介质折射率的关系结论(1)不同材料的纳米粒子对光的吸收性质区别很大。(2)贵金属的LSPR效应主要由表层一定深度内纳米粒子性质决定，但也要受到内层纳米颗粒性质的影响。(3)银纳米球对光的吸收峰只有一个；椭球形银纳米粒子对光的吸收峰有两个，一个为横向吸收峰，一个为纵向吸收峰，椭球形银纳米粒子对

7、光的吸收性质主要由其纵向吸收决定。不妨可以推测，几何形状更复杂的纳米颗粒有着更多的吸收峰，吸收峰个数与其对称轴数目相同。(4)在其他条件不变的情况下，纳米粒子的光谱吸收吸收峰对应波长随着纳米粒子尺寸的增大而增大，即其吸收峰随着其尺寸的变大而红移。(5)其他条件不变的情况下，纳米粒子的光谱吸收吸收峰对应的波长随着其所处的介质的折射率的增大而增大，并且是成线性关系对应。补充(对DDA算法方程——DDS