【摘 要】
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局域表面等离子体共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR)是光与纳米结构表面电荷相互作用表现出来的一种谐振波,对纳米结构的形状、尺寸、材料参数及外界介质折射率的变化十分敏感。通过对纳米结构的设计与加工能够改变材料的电磁性质,使其具有天然形成的物质所不具备的优异电磁特性,能够为人类实现对电磁波的操纵提供新途径。局域表面等离子体共振作为实现对可见光至近红外
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局域表面等离子体共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR)是光与纳米结构表面电荷相互作用表现出来的一种谐振波,对纳米结构的形状、尺寸、材料参数及外界介质折射率的变化十分敏感。通过对纳米结构的设计与加工能够改变材料的电磁性质,使其具有天然形成的物质所不具备的优异电磁特性,能够为人类实现对电磁波的操纵提供新途径。局域表面等离子体共振作为实现对可见光至近红外波段内电磁波进行调控的重要方法,已成为纳米光子学领域的研究热点之一。由于LSPR具有对环境介质高度敏感的特性且能够实现纳米结构有效的局域电场增强,其在表面增强拉曼散射、生物传感、医疗诊断与治疗、以及生物医学成像等领域有广泛的应用。本文分别采用时域有限差分(Finite different time domain,FDTD)方法、有限元(Finite element method,FEM)方法和离散偶极近似(Discrete dipole approximation,DDA)方法设计并分析了双层纳米盘结构、同心双环纳米盘结构及劈裂环-圆环二聚体纳米结构的消光特性。设计了双层纳米盘结构,利用时域有限差分方法分析了其局域表面等离子体共振特性。研究表明,由金、银包裹ITO的纳米盘结构的等离子共振峰与金属壳层内外壁半径有关,且对外界介质折射率十分敏感。且通过对几何结构的优化能够激发出明显的法诺共振线型,其在高灵敏度生化传感方面具有潜在的应用前景。设计了同心双环纳米盘结构,利用离散偶极近似方法分析并研究了其局域表面等离子体共振特性。通过对消光光谱和电场图的分析,发现周围介质的几何尺寸与折射率对等离子体子杂交和消光峰的位移有显著的影响。耦合共振波长依赖于圆盘和圆环的结构参数,在近红外区域实现了柔性可调谐多极共振,并利用等离激元杂化理论对其物理本质进行阐述。设计了劈裂环-圆环纳米结构,利用时域有限差分方法、有限元方法和离散偶极近似方法分析其局域表面等离子体共振特性。对散射光谱及电场分布图的分析表明,当入射光偏振方向垂直于分裂间隙时,劈裂环-圆环二聚体由于两环之间空腔的存在,拥有较强的局域电场增强及典型的法诺共振线性。与通过破坏环盘结构的对称性来获得法诺共振的方式相比,劈裂环-圆环二聚体能够灵活简单的通过调整结构参数使法诺线性在可见光至近红外波段内调节。其明显的局域电场增强与高灵敏度使其在表面增强拉曼散射与生化传感领域具有广阔的应用前景。
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