摘 要

本论文主要通过理论研究贵金属纳米结构的光学性质，研究对象为一种贵金属纳米复合结构，通过改变金属纳米复合材料的结构参数，实现在一定波长范围内调节复合结构的光学响应和局域场的分布。本文首先介绍了贵金属纳米粒子的研究背景、国内外的研究现状和贵金属纳米材料的应用。其次，我们介绍了时域有限差分法及其基本原理。之后我们还介绍了表面等离子体共振的基础知识和边界条件。最后，我们设计了一种制备在玻璃衬底上的银圆盘（50nm）/二氧化硅（4~16nm）/金薄膜（50nm）纳米复合结构。使用FDTD Solutions软件模拟出其散射光谱和局域电场分布。研究表明，通过改变二氧化硅中间层的厚度能够有效地调节该复合结构的响应频率和局域电场的分布。本文的研究有利于进一步推动和拓展表面等离子在相关领域的应用。

关键词：贵金属纳米结构；局域表面等离子体共振；时域有限差分法；局域场分布

Abstract

In this thesis, theoretical method has been used for the study of the optical properties of noble metal nanostructures, and the object is a noble metal nano-composite structure. Through changing the structural parameters of metal nanocomposites, tunable optical response and the local field distribution of composite structures can be achieved among a specific wavelength range. We firstly introduce the research background of noble metal nanoparticles, the current research and application of metal nano- materials. Secondly, the FDTD method and its principle are presented. Then, we alsodescribe the surface plasmon resonance and boundary conditions. Finally, we have designed a composite structure of the silver disk (50nm) / silica (4 ~ 16nm) / gold thin film (50nm) on the glass substrate. FDTD Solutions software has been used for simulating scattering spectra and the local electric field distribution of the structure As results indicated, the optical response and the local electric field of the composite structure has been effectively modulated through changing the thickness of the intermediate layer of silicon dioxide. The study in this thesis would be helpful to promote and expand the application of a surface plasmon in the relevant fields.

Key words: Noble metal nanostructures; Localized surface plasmon; FDTD method; Local field distribution

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的 1

1.3 研究意义 2

1.4 国内外研究现状 2

1.5 贵金属纳米复合材料的应用 3

1.6 研究方法 4

第2章 模拟方法 5

2.1 时域有限差分法 5

2.2 时域有限差分法的基本原理 5

2.3 时域有限差分法的数值稳定性 6

2.4 贵金属纳米材料特性 6

2.5 表面等离子体 6

2.5.1 贵金属表面等离子共振现象 6

2.5.2 等离子共振的理论分析和金属纳米粒子的光学性质 7

2.6 边界条件 8

2.6.1 FDTD的计算区和边界划分 8

2.6.2 完全匹配层 8

2.6.3 总场边界条件 9

2.6.4 外推边界条件 10

2.6.5 入射波的加入 10

2.7 模拟软件 11

第3章 贵金属纳米结构的散射光谱和局域电场分析 12

3.1 单个Ag圆盘结构 12

3.2 Ag圆盘/SiO2衬底 13

3.3 Ag圆盘/SiO2衬底/Au膜 15

第4章 总结与展望 21

4.1 总结 21

4.2 展望 21

参考文献 22

致 谢 23

第1章 绪论

1.1 研究背景

19世纪60年代，科学家们已经开始对尺寸1~100nm的纳米粒子进行研究，在当时只将其当做从宏观到微观物质体系的过渡过程而去研究。科学家们没有将他作为自然界物质结构的新层次，即“纳米体系”。1959年，获得过诺贝尔奖美国著名物理学家费曼（R.Feynman1918-1988)提出原子和分子水平上对物质进行操纵和控制的设想，科学家们开始有意识的研究纳米粒子来探索纳米物质世界。1962年，久保针提出了著名的久保针理论对金属超微颗粒面附近的电子能级状态进行分析。科学家们对金属纳米颗粒的研究有了强烈欲望。到1974年，一次在日本召开得国际会议上第一次将其作为了一门科学的专业术语。“纳米技术”这个次开始出现。20世纪80年代纳米技术开始迅猛发展，1990年7月第一届纳米科技会议在美国的巴尔的摩召开，标志着纳米科学技术作为相对独立技术的诞生。此后，世界各国的科学家对纳米科学技术有了极大的兴趣，同时有了足够重视。许多重要的学术活动在墨西哥、北京、德国等地展开。纳米科学技术的发展显出了蓬勃态势。纳米科学不是其他科学的延伸、更不是新工艺的产物，而是当代高新科技和基础理论科学的结晶。以物理、化学的微光理论为基础，以现代精密仪器和先进分析技术为手段的具有丰富内容的交叉科学。

纳米材料有很多种分类方法，按照不同的分类方法可以将其分成几种不同的领域，可以按照维度不同、应用领域不同、化学成分不同进行分类。做为纳米材料的重要组成部分，贵金属纳米材料在现阶段以纳米棒状结构、纳米线、星型纳米结构、菱形纳米结构为主。微米量级纳米结构在电子器件、生物医药、光学器件等领域应用的十分广泛。按分类不同纳米材料属于不同种类。所以有纳米光学材料、纳米生物医药材料、纳米电子材料、纳米光电材料等^[1]。根据空间结构的不同，能够把贵金属纳米材料按维度划分：零维有量子点和纳米球；一维有纳米线、纳米带、纳米管和纳米棒；二维有圆盘、三角和六边形；三维有立方体、十面体、空心纳米笼和支状等结构^[2]。也能根据材料分成单金属纳米材料、双金属材料和多金属材料。

1.2 研究目的

贵金属纳米结构的表面等离子具有局域增强特性，我们模拟贵金属纳米复合结构，通过改变金属纳米复合材料的结构参数，在一定波长范围内调节复合结构的响应和局域电场的分布。通过理论模拟，我们能够了解二氧化硅中间层的厚度对金属纳米复合结构的消光谱和电场的近场分布的影响，从而有利于该种复合结构在生物传感器、成像、太阳能电池和纳米尺度的光电器件等领域的应用^[3]。

1.3 研究意义

纳米材料是一种超微材料，它介于原子、分子和宏观物质之间，由纳米粒子组成。超微粒子的尺寸至少有一个维度是纳米量级的。纳米粒子有传统固体材料所不具有的特殊性质，如粒子尺寸效应、宏观量子隧道效应、表面效应等。近些年来，纳米材料的研究取得很大突破，被应用于许多领域^[4]。如（1）生物医学领域。纳米粒子的尺寸比一般生物体的细胞核和红血球小，这样就能够使用纳米材料制作抗体或药物来进行治疗。目前纳米机器人已经能够由血管进入人体来对人体进行检测、诊断和治疗。（2）环境领域。一些纳米材料具有较强光催化活性，经光的照射时会吸收光能，通过光子激活材料中的电子在空穴内的流动，发生强氧化还原作用，对化学物质和细菌进行降解和灭杀。如今具有光学催化性能的纳米材料已经应用到了环境污染的治理之中。（3）能源领域。当今时代，由于传统能源日益枯竭而且会对环境造成严重污染和破坏，使以燃料电池、锂电池、太阳能为主的新能源成为能源领域的主要研究方向。一些纳米材料能够把光能转换为化学能，并且将电极催化纳米化不仅能够提高催化效率，还能增强催化性能和降低材料成本。同时，纳米科技又带动了许多相关产业的发展，例如化学、材料、光电、物理等方面。并且纳米金属复合材料独特的光学特性许多传统材料无法媲美的，在光调制器、高速光开关、光限幅器件和光波导器件等全光器件方面有广阔应用前景。光与纳米技术复合结构中的自由电子相互作用，产生局域表面等离子体共振效应和表面等离子体共振效应，通过改变金属体结构能够实现调控。通过对贵金属纳米复合结构的研究，我们能够了解不同参数的情况下的材料的光学特性，可以对结构中不同的材料对其光学性质有充分的了解，有助于其更好的应用。而且在医药、电子、化工等多个行业中显示了其良好的应用前景，一些产品已经得到应用。例如银纳米线因为其量子性质而用作纳米设备连接线，能够满足高比面积、均匀取向和小直径等要求。而且贵金属具有良好催化活性，贵金属纳米粒子的比面积十分巨大，拥有丰富的悬空键，所以它是活性、选择性优秀的催化剂。