金属纳米颗粒阵列的LSPR效应理论仿真研究答辩.ppt

金属纳米颗粒阵列的LSPR效应 理论仿真研究 The research and simulation of localized surface plasmon resonance (LSPR) of arrays of noble metal 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(Localized Surface Plasmon Resonance)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(Discrete Dipole Approximation，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,i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DDSCAT理论仿真数据准确性的鉴定) 引用数据（实际试验中测得的CTAB水溶液中直径为13nm金纳米 的吸收光谱） DDSCAT仿真数据（用DDSCAT拟对水中直径为13nm金纳米球 的吸收光谱） 分析与展望 可以看到，用DDSCAT仿真中，金纳米球吸收峰对应波长为 520nm，与实验测得的吸收峰对应波长是相同的，并且吸收峰 宽窄程度也相同；但是在实验和理论中金纳米球吸收峰的消光 效率是区别很大的，实验中测得得消光效率要大于DDSCAT仿真 。 所以，用DDSCAT仿真纳米粒子的光学性质是与实际测量时有一 定区别的，尤其在吸收峰对应的最大吸收效率上。但是，基于 LSPR传感器的原理与灵敏度影响因素，我们对纳米粒子吸收光 谱主要重视是的吸收峰对应波长和吸收峰的波长跨度，即吸收 峰的宽窄，在这个方面上DDSCAT仿真与实际测量是相同的，因 此无论是在理论上还是在应用上，DDSCAT仿真对从事纳米粒子 光学性质研究具有重要的指导意义，在研究中，要将实际实验 与DDSCAT仿真结合起来，可以更方便检验实际实验或是 DDSCAT仿真中的不足之处，从而促进我们进一步去完善实验手 段或是DDSCAT程序，可以预见，对纳米粒子的光学性质 DDSCAT仿真程序会与实际试验互补进步，日趋完美。 致谢 本论文是在刘国华老师的指导下完成的，从选题、选论文 材料、实验、实验结果的处理到论文的撰写到最后的修改 都离不开