貴金屬納米顆粒電磁場(chǎng)仿真分析本課件PPT僅供大家學(xué)習(xí)使用學(xué)習(xí)完請(qǐng)自行刪除，謝謝！本課件PPT僅供大家學(xué)習(xí)使用學(xué)習(xí)完請(qǐng)自行刪除，謝謝！本課件PPT僅供大家學(xué)習(xí)使用學(xué)習(xí)完請(qǐng)自行刪除，謝謝！本課件PPT僅供大家學(xué)習(xí)使用學(xué)習(xí)完請(qǐng)自行刪除，謝謝！LSPR〔LocalizedSurfacePlasmonResonance,LSPR〕納米傳感器的傳感機(jī)理與SPR〔SurfacePlasmonResonance,SPR〕傳感器有一定的相似性，LSPR傳感器可以看作是SPR傳感器的拓展和延續(xù)。前者的外表等離子體共振發(fā)生在金屬納米顆粒局部，后者的共振發(fā)生在連續(xù)金屬薄膜外表；然而，發(fā)生在納米顆粒局部的共振表現(xiàn)出的光學(xué)特性與SPR不同，在傳感領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力，因此得到了廣泛研究。貴金屬〔如金、銀〕納米粒子，在紫外－可見光區(qū)域表現(xiàn)出獨(dú)特的光學(xué)響應(yīng)，有強(qiáng)吸收作用。特性SPRLSPR無標(biāo)記檢測(cè)可以[78,80,89,100]可以[22,38,46,57]距離影響~1000nm[79]~30nm（尺寸可調(diào)）[31,32]折射率靈敏度2×106nm/RIU[77,79,81,97]2×102nm/RIU[31,46]模式角位差[94]，波長(zhǎng)差，成像消光[22]，散射[39,57]，成像[39,57]溫控要求需要不需要化學(xué)識(shí)別SPR-RamanLSPR-SERS場(chǎng)移植不可以可以商業(yè)應(yīng)用開始尚未造價(jià)$150,000-$300,000$5,000（多粒子），$50,000（單粒子）空間分辨率~10×10μm[95,101]1個(gè)納米粒子[39,57,96]非特定約束最?。ㄈQ于表面化學(xué)成分和清洗）[77,97,98,100,102]最?。ㄈQ于表面化學(xué)成分和清洗）[22]實(shí)時(shí)測(cè)量時(shí)間范圍=10-1-103s，平面擴(kuò)散[77,80,98,99,103]時(shí)間范圍=10-1-103s，幅射擴(kuò)散[57]多通道能力可以[93,104]可以并有研發(fā)潛力小分子靈敏性好[77]更好[31]微流體兼容性有有研發(fā)潛力影響LSPR現(xiàn)象的因素納米顆粒的大小納米顆粒的形狀納米顆粒的材質(zhì)〔金，銀，合金等〕顆粒外表的介質(zhì)環(huán)境多個(gè)顆粒之間的排列間距溫度的影響很小，可以認(rèn)為在某一溫度段內(nèi)忽略溫度的影響電磁學(xué)仿真分析的數(shù)學(xué)方法最根本的理論模型：離散數(shù)學(xué)和電磁學(xué)麥克斯韋方程組具體仿真方法離散偶極近似〔DDA〕時(shí)域有限差分〔FDTD〕嚴(yán)格耦合波理論(RigorousCoupled-WaveAnalysis，簡(jiǎn)稱RCWA)T矩陣法〔T-matrixmethod〕有限元法〔FEM〕PropertiesandApplicationsofColloidalNonspherical

NobleMetalNanoparticles離散偶極近似〔DDA〕DDA算法就是將納米顆粒分解為N個(gè)小的立方單元，每個(gè)立方單元看做一個(gè)電偶極子，計(jì)算每個(gè)電偶極子與磁場(chǎng)的相互作用，計(jì)算出消光矢量，然后利用矩陣計(jì)算算出整個(gè)納米顆粒的消光系數(shù)。仿真軟件為：DDSCAT DDSCAT,aFortrancodeforcalculatingscatteringandabsorptionoflightbyirregularparticles,hasbeenjointlydevelopedbyBruceT.Draine(Dept.ofAstrophysicalSciences,PrincetonUniversity)andPiotrJ.Flatau(ScrippsInstitutionofOceanography,UniversityofCaliforniaSanDiego).ThecurrentversionisDDSCAT7.1DDA為計(jì)算任意大小及形狀的納米顆粒的光學(xué)性質(zhì)，DDA算法首先將該顆粒視為N個(gè)立方單元構(gòu)成的集合體，再把每個(gè)立方單元視為電偶極子來處理。任一個(gè)電偶極子與局域場(chǎng)的相互作用表示為:〔1〕式中αj為點(diǎn)偶極子極化率；Einc,j是入射光電場(chǎng)在偶極子j處產(chǎn)生的電場(chǎng)，可表示為:其中E0為入射光電場(chǎng)的振幅，k為波矢。DDA〔1〕式中表示偶極子k在偶極子j處產(chǎn)生的電場(chǎng)：代入〔1〕式得到一個(gè)N階的非齊次線性方程：DDA假設(shè)單個(gè)偶極子的極化矢量Pj，那么整個(gè)顆粒的消光截面為其中aeff為納米顆粒的有效半徑。仿真結(jié)果：半徑皆為10nm的金、銀納米球在真空中的光譜吸收半徑為20nm的銀球在不同介質(zhì)中的消光曲線吸收峰=0.21668+0.14367n。20nm的金球在不同折射率的環(huán)境中的消光曲線吸收峰=0.43973+0.06161n。金包銀銀包金結(jié)論貴金屬納米顆粒的LSPR現(xiàn)象與納米顆粒的材質(zhì)以及納米顆粒的大小及周圍環(huán)境的介電常數(shù)有關(guān)。我們仿真了同等大小的金，銀以及金銀核-殼構(gòu)造的納米顆粒在不同介質(zhì)中的LSPR消光特性曲線的變化情況。結(jié)果說明，納米顆粒的LSPR吸收峰波長(zhǎng)都與環(huán)境介質(zhì)的折射率成線性關(guān)系。在同等大小的情況下，金銀核-殼構(gòu)造的折射率靈敏度大于銀納米顆粒的靈敏度；而銀納米顆粒的靈敏度大于金納米顆粒的靈敏度。由于銀納米顆粒容易被空氣中的氧氣氧化，化學(xué)性質(zhì)不夠穩(wěn)定，因此只能在某些惰性溶液中應(yīng)用。如果采取適當(dāng)工藝在銀納米顆粒外表鍍一層金膜，形成銀核-金殼構(gòu)造，這樣不僅可以提高納米顆粒的化學(xué)穩(wěn)定性，而且可以提高其靈敏度。FDTDFDTD方法最早是由KaneS.Yee在1966年提出的，用變量離散的，含有有限個(gè)未知數(shù)的差分方程近似的替代連續(xù)變量的微分方程。FDTD是將連續(xù)的空間劃分為一個(gè)個(gè)的Yee元胞，以Yee元胞為空間電磁場(chǎng)離散單元，將麥克斯韋旋度方程轉(zhuǎn)化為差分方程，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)解決電磁學(xué)問題。XFDTD6.3.8.4是Remcom公司開發(fā)的基于FDTD的電磁學(xué)仿真軟件，可以應(yīng)用于分析貴金屬納米顆粒的LSPR現(xiàn)象。此軟件可以很方便的進(jìn)展可視化建模，有別于DDSCAT中采用的是真實(shí)的材料折射率，XFDTD需要用Debye模型或者Lorentz模型來模擬金屬在不同頻率下的介電常數(shù)，從而帶來了誤差。而且對(duì)于在連續(xù)光譜下的消光問題，需要將入射光源設(shè)置為高斯脈沖或者修正高斯脈沖來模擬一定波段光源的頻譜，而結(jié)果通過傅里葉變換將時(shí)域的結(jié)果轉(zhuǎn)化為頻域的結(jié)果，優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)時(shí)的仿真納米顆粒與光作用的過程，可以很方便的輸出納米顆粒周圍的電場(chǎng)分布圖。綜合運(yùn)用兩種方法的優(yōu)勢(shì)，用DDSCAT分析各種納米顆粒在不同波段的光譜，用XFDTD分析在具體光譜下的納米顆粒外表電場(chǎng)分布。不同材質(zhì)納米顆粒的外表電場(chǎng)分布:半徑為30nm的銀和二氧化硅(a)Silver(b)Silica圖2不同材質(zhì)納米顆粒的外表電場(chǎng)分布〔a〕Theincidentlightparalleltotheaxis(b〕Theincidentli