增强拉曼体系的表面等离子体光学特性研究

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金属纳米结构的光学性质及其在增强拉曼散射效应中的应用是当今纳米科学研究的一个热点。本论文主要以周期性纳米孔洞、核壳结构纳米粒子以及针尖一基底结构为研究对象,用FDTD方法系统分析了这三种结构的表面等离子体光学特性。   首先对FDTD Solutions计算软件在处理金属纳米结构与光相互作用问题时的可靠性进行了分析。通过与实验和已有理论数据进行比较,证实了FDTDSolutions是研究金属纳米结构光学性质的可靠理论方法。   在此基础上系统研究了周期性纳米孔洞的EOT现象与孔洞周期、孔洞大小、薄膜厚度以及介电环境等因素的具体关系。为研究有序纳米结构在可见光及紫外光作用下的SERS增强特性,分别设计了银、铝薄膜有序纳米孔洞阵列在632nm和325nm激发光作用下的最优结构,并详细研究了这两种材料的EOT和SERS的关联性。对于银薄膜有序纳米孔洞阵列,当表面等离子激元共振条件满足时,在相同的激发光波长下,透射强度和SERS信号能同时达到最大值。而对于铝薄膜有序纳米孔洞阵列,透射谱峰位和最大SERS激发波长之间存在一定偏离。相关结果对揭示EOT和SERS的物理增强机理有较重要的科学意义。   对于Au@Si02核壳结构纳米粒子,定量研究了单粒子壳层厚度、金核尺寸对消光系数及近场增强的影响。同时讨论了二聚体的近场耦合效应,比较了单粒子和二聚体这两种结构的近场增强和远场消光的异同。近场增强和远场消光极值峰位虽不是完全相同,但是偏差不大,仅几纳米到十几纳米的差别,所以如果以消光极值峰位激发表面均匀吸附有探针分子的Au@Si02核壳结构,虽不能得到最大SERS增强,但是可以得到与最大增强在同一数量级的SERS增强。   对于针尖-基底结构,重点解决紫外TERS的电磁场增强,并系统研究了基底的材料、针尖的曲率半径和几何形状、针尖与基底之间的距离、入射光的频率和偏振方向以及入射角等对TERS增强的影响。并且借助前面的思想,研究了Si@Al核壳针尖-基底体系的光学性质。  
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