复合金属纳米粒子的局域表面等离子体共振传感特性研究

摘要

金属纳米粒子的局域表面等离子体共振特性在生物传感中的应用是目前研究热点之一。该传感器具有制造成本低，携带方便的优点，但其探测灵敏度较低，如何提高该传感器的探测灵敏度是重点研究对象。其中，金属纳米粒子的折射率灵敏度是影响传感器探测灵敏的重要参数之一。不同的材料具有不同的电磁特性，因此将不同材料复合可以调节纳米粒子的局域表面等离子体共振特性，可作为一种提高纳米粒子折射率灵敏度的有效方法。本文提出了两种复合纳米结构并对其局域表面等离子体共振特性展开研究。
　　 金纳米粒子化学性质稳定，与生物分子的亲和力强，但是折射率灵敏度较低，而银纳米粒子则刚好相反。若将两者结合，不仅可提高纳米粒子的折射率灵敏度，利于传感的优良特性也可以保留。据此，本文提出了一种在银层上面覆盖一层金的四棱台复合纳米结构，采用离散偶极子近似的数值计算与基本理论相结合的方法针对这种金银复合纳米结构不同金银比例下的消光特性和折射率灵敏度特性进行研究。结果表明，纳米粒子厚度的增加会造成纳米粒子的消光峰值波长蓝移。金材料比例的增加会使金银复合结构的纳米粒子的消光峰值波长红移。同时，结果还表明，当金银复合结构的纳米粒子的厚度大于自由电子的平均自由程时，其局域表面等离子体激发强度不发生变化。
　　 具有更多“热点”(尖角多所致)，同时能利用纳米粒子之间耦合效应的Ag/SiO2/Ag复合结构是另一种具有较高折射率灵敏度的纳米结构。该结构是在两正方体银纳米粒子之间夹了一层SiO2，然而若起主要贡献的强局域电场的分布进入SiO2夹层，显然这部分电场将失去对外界环境变化的响应能力，折射率灵敏度自然受影响。为了解决这个问题，可将尖角处的SiO2去除，使起主要贡献的强局域电场暴露于外界环境中。由此，本文提出了一种Ⅰ型Ag/SiO2/Ag复合结构，采用时域有限差分方法研究该结构在不同SiO2夹层厚度下的消光特性及折射率灵敏度特性。计算结果表明，通过调节夹层厚度，可获得比调节尺寸更大的共振峰位置的调节范围，可增强纳米粒子的消光效率(最大可增强1.5倍左右)，可使其局域电场变强，且可使上下两层的局域电场强度分布不均。比Ag/SiO2/Ag复合结构，Ⅰ型Ag/SiO2/Ag复合结构折射率灵敏度增加了100 nm/RIU左右。

目录

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声明

第一章绪 论

1.1金属纳米粒子的局域表面等离子体共振(LSPR)特性

1.2金属纳米粒子LSPR特性的研究现状

1.3金属纳米结构的制备

1.4金属纳米粒子的表征

1.5金属纳米粒子LSPR特性的应用

1.5.1生物传感

1.5.2表面增强拉曼散射

1.5.3其它应用

1.6本文的研究内容

第二章金属纳米粒子LSPR特性的理论研究

2.1金属纳米粒子LSPR特性研究的电磁理论基础

2.2金属纳米粒子的介电常数

2.3典型金属纳米结构的电磁特性研究

2.3.1球状纳米粒子电磁特性理论研究(Mie理论)

2.3.2椭球状纳米粒子电磁特性理论研究(Gans理论)

2.3.3核壳状纳米粒子电磁特性理论研究

2.4计算金属纳米结构电磁特性的常用数值方法

2.4.1离散偶极子近似

2.4.2时域有限差分

第三章复合金属单个纳米粒子的LSPR特性

3.1金银复合棱台型纳米粒子的LSPR特性

3.1.1数值模拟结果与讨论

3.1.2小结

3.2 Ag/SiO2/Ag复合结构的LSPR特性

3.2.1数值模拟与讨论

3.2.2小结

3.3 I-型Ag/SiO2/Ag复合结构的LSPR特性

3.3.1数值模拟与讨论

3.3.2小结

第四章金属纳米粒子阵列的LSPR特性

4.1金属纳米粒子之间电磁耦合概述

4.2正方形银纳米粒子阵列的电磁耦合特性研究

4.2.1数值计算与分析

4.2.2小结

4.3复合纳米粒子阵列LSPR共振特性

4.3.1 Ag/SiO2/Ag复合纳米粒子阵列LSPR特性

4.3.2 I型Ag/SiO2/Ag复合纳米粒子阵列LSPR特性

4.3.3小结

第五章结论

致 谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文