摘 要

纳米金颗粒被激光照射时会体现出独特的表面等离子体共振性质，表现出对激光能量的强烈吸收和散射，有望应用于生物标记、医学成像、生物医学等领域。在对入射光强烈吸收后，金属颗粒温度迅速升高并以热量形式散发，达到加热周围介质的效果。纳米金属的光热转换使其可以作为高效、局域化、可操控的局部热源，并通过利用其形态相关的的光学特性，实现在纳米尺度上的热操控。

本论文利用COMSOL Multiphysics软件以数值模拟的方式研究了金属纳米颗粒被激光照射时通过等离子体共振效应得到的强化电场，分别研究了单个金属纳米颗粒形态和两个金属纳米球形颗粒排布对激发电场的影响。模拟结果表明随着金属纳米形态从球形变化到长宽比逐渐减小的纳米棒时会出现逐渐增强的激发电场；双球系统的累加效应与双球间距和入射光偏振方向有关。双球间距越小，入射光偏振方向平行于双球连线这样的设置方式会使激发效果大大加强。

关键词：金纳米颗粒；表面等离子体共振；光热效应

ABSTRACT

Gold nanoparticles are featured by special surface-plasmon resonance, which can lead to strong absorption and scattering characteristics under the irradiation of laser, and are expected to be used in fields like biomarkers, medical imaging, biomedicine and others. After strongly absorbing the incident light, the temperature of the novel metal particles can rise rapidly and dissipate in the form of heat to the surroundings achieving the effect of heating the surrounding medium. The photothermal conversion of nanoparticles can make it an efficient, localized, and flexible micro heat source, and taking advantage of its shape-related optical properties can realise thermal control on the nanoscales.

In this paper, the COMSOL Multiphysics software is used to numerically study the enhanced electric field obtained by the plasmon resonance effect of metal nanoparticles irradiated by laser. The morphology of a single metal nanoparticle and the arrangement of two metal nanosphere particles on excitation are studied respectively. The simulation results show that as the metal nanomorphology changes from spherical to nanorods with decreasing aspect ratio, a gradually increasing excitation electric field will appear; the cumulative effect of the double-ball system is related to the double-ball spacing and the polarization direction of the incident light. The smaller the distance between the double spheres, the setting of the incident light polarization direction parallel to the double sphere connection will greatly enhance the excitation effect.

Keywords: gold nanoparticles; surface plasmon resonance; photothermal effect

目 录

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2表面等离子体共振的基本概念和纳米材料的制备 1

1.3 金纳米颗粒可调控的光学特性 2

1.4 本论文的研究目的和意义 3

1.5 论文章节内容及安排 4

第2章 金属纳米颗粒的光热性质的基本理论 5

2.1 等离子共振下的光热现象 5

2.2金属纳米颗粒的光吸收 6

2.3纳米金属颗粒的稳态温度响应 7

2.4 纳米金属颗粒组装体的热传输效应 9

2.5 本章小结 10

第3章 单个金属纳米颗粒的电磁耦合模拟 11

3.1模型概述 11

3.2数值模型的建立 13

3.3模拟结果及分析 14

3.5本章小结 20

第4章 等离激元耦合对纳米颗粒电磁耦合的影响 21

4.1 模型概述 21

4.2 模拟结果及分析 22

4.4 本章小结 29

第5章 总结与展望 30

参考文献 31

第1章 绪论

1.1引言

近几十年，纳米颗粒制备技术高速发展，对纳米颗粒的形状、尺寸及成分等方面的控制技术都有了长足进步^[1]。研究表明，当金属的尺寸减小到纳米尺度，会展现出如表面效应、体积效应、介电限域效应^[2-4]等不同于大块宏观材料的性质，使得纳米材料的力、热、光、电、磁等性质发生较大的变化。金属纳米颗粒展示出宏观上不存在的独特等离子共振光学性质，且共振波长和产热效果会随其尺寸、形态及成分而改变^[5]。小尺度、高能量、易操控使得纳米金属颗粒可以很好地应用于生命科学^[6]，这些尺度从几纳米到几百纳米不等的金属颗粒因等离子共振特性而加强的对激光的散射和吸收使其成为理想的生物细胞标记物和微观热源^[7]。

1.2表面等离子体共振的基本概念和纳米材料的制备

在金属纳米颗粒的诸多特殊性质中，激光与颗粒相互之间的等离子共振作用更被研究人员关注。在一般情况下，大量存在于金属内部和表面的自由电子形成自由电子气团，也就是等离子体。表面等离子体激元就是由位于金属表面的自由电子和光子相互作用形成的电磁振荡。当光波（一种电磁波）照射于金属表面时，金属表面上的自由电子集体振荡。如果此时电子的振荡频率与入射光的频率相匹配，则会发生共振。在共振状态下，电磁场的能量有效地转换为金属表面的自由电子的集体振动能^[8]。此时形成的特殊电磁模式：电磁场被限制在金属表面的小范围内，并且得到增强，金属纳米颗粒会强烈吸收和散射入射光，上述现象即为表面等离子体共振^{[9, 10]}。依据外观形态，可将纳米金属结构划分为两类：颗粒结构和平面结构，如图1所示，

图1.1等离激元共振示意图^[11]

该图展示了表面等离子体共振效应的模式。在图1(b)中，等离子体能以表面电荷密度波的形式在平坦金属表面传播，这要求金属结构尺寸要大于激发波长，而图1(a)所示的金属纳米颗粒等离子体共振则刚好相反，它要求纳米结构的尺度小于入射光的波长。