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金属纳米尖局域电磁场增强的数值模拟研究

李旭峰  
【摘要】: 在有外电场激励的情况下,对于纳米尺寸的的金属尖所形成的局域场因具有空间分辨高、信噪比好以及电场强度的增强因子大等特点,所以在近场扫描成像和表面增强拉曼散射(surface-enhanced Raman scattering,SERS)中具有独特的优势和重要的应用价值。近年来,伴随着近场理论研究的不断深入和完善,并结合现代微纳加工工艺的不断进步,使的纳米分辨下在位的单分子光谱的检测技术成为可能。同时由于与大量分子的光谱相比,单个分子光谱所具有的独特特征,从而使的该项技术的发展必将对未来生物,医学,材料等诸多领域产生深远的意义和重大的影响作用。 本文从考虑实现纳米尺度下在位的单分子光谱检测的角度出发,首先对目前现有的一些单分子光谱的检测技术进行了简单的介绍,考虑到我们阐述问题的侧重点的不同,对SERS在单分子检测中的应用和发展现状部分介绍较为详细。结合具体的课题研究:首先,建立了对顶金圆锥尖的局域电磁增强模型。其次,通过使用频域电磁场的三维有限元法(finite element method,FEM),对上述模型下影响电磁增强的因素(主要是电场强度)进行了系统的研究,包括: (1)首先对光频波段的金属的光学特性,主要是针对块状金属的色散和吸收特性进行了详细的理论推导和分析。 (2)其次在上述推倒分析的基础上,对影响电场强度增强的各种参数包括:锥尖长度、对顶锥间距离以及不同的探测环境进行了数值模拟的研究。尝试根据光学天线效应(optical antenna effect)和表面等离子体激元共振(surface plasmon resonance)理论,对上述不同参数下的电磁增强现象进行了解释说明,得出了一些有意义的结论。 (3)研究了在TM波入射激励下(632.8nm波长),不同尺寸的对顶锥尖半径对电场强度增强的影响。指出受入射电磁场被锥尖散射的影响,不仅在沿入射电场偏振的方向上,随着锥尖探针长度的改变有共振现象的产生,而且随着锥尖半径的改变,在与外电场偏振垂直的方向也同样有此现象的产生,并对此产生的原因也进行了简单的分析说明。


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