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贵金属纳米粒子的表面等离激元共振及光学性质

李俊娜  
【摘要】:贵金属纳米结构支持表面等离激元,具有特殊的光学性质并且可以以一些非常独特的方式来操纵光,因而获得了越来越多的关注。表面等离激元对纳米结构的形状、尺寸、周围介质、激发光的入射角和偏振方向以及纳米结构的排列方式非常敏感,因此,可以通过调整上述影响因素来调控纳米结构的表面等离激元,以实现一些特殊的功能,进而应用到特定的领域。表面等离激元(SPs)在很多领域都展示出巨大的应用前景,如表面增强光谱、太阳能电池、等离激元光波导、生物传感器等。随着理论研究的逐步深入和微加工技术的不断进步,设计不同的纳米结构成为热门的研究内容之一。金属微纳结构体系的研究已经形成了一门国际上迅猛发展的新兴学科,即表面等离激元光子学。 本文基于表面等离激元纳米结构的研究现状,考虑到目前已有的研究大多数集中在对二维平面对称纳米结构的表面等离激元共振特性的探索,但是在实际应用中常见到的纳米结构大多都是三维空间纳米结构并且很多结构不具备对称性这个问题,设计了三维空间纳米结构和二维平面不对称纳米结构并系统地研究了它们的光学特性。本文主要分为两个部分:第一部分设计并研究了三维空间纳米结构——并排相切的纳米椭球二聚体(TNSHD)的光学特性;第二部分设计并研究了二维平面不对称纳米结构——具有双重不对称特性的盘-环等离激元纳米结构的光学特性。 第一部分:并排相切的纳米椭球二聚体的光学特性。 分别利用离散偶极近似(DDA)方法和时域有限差分(FDTD)方法理论研究了(TNSHD)的光学特性。通过改变两个纳米椭球长轴之间的夹角和入射光的偏振方向,系统的研究了角度变化和入射光偏振方向对该结构的等离激元共振和光学特性的影响。仿真模拟的结果表明该结构拥有特殊的光学特性,既可以实现拥有明显法诺(Fano)线形的等离激元共振,又可以大幅增强局域电场的强度。这种可调谐的法诺共振在生物探测方面有非常重要的应用。大幅增强的电场可以应用于表面增强拉曼散射(SERS)和太阳能电池的光捕获。 第二部分:具有双重不对称特性的盘-环纳米结构的光学特性。 利用有限元方法(FEM)理论研究了具有双重不对称特性的盘-环等离激元纳米结构的光学特性。通过改变纳米环的不对称程度、小盘的偏置和尺寸系统地研究了上述因素对该结构等离激元共振和光学特性的影响。研究结果表明该结构可以实现可调谐的高阶法诺共振,高阶法诺共振的产生源于偏置纳米盘的亮模式与不对称纳米环的暗模式的破坏性干涉。通过控制纳米盘的尺寸,可以增强或抑制特定的高阶法诺共振,从而减小光谱测量中的谱线重叠。双不对称性可以产生更强的电场增强,原因是偏置的纳米盘和不对称的纳米环之间的相互作用更强了。


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