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1、-范文最新推荐- DDSCAT金属纳米结构的光学性质研究 摘要纳米材料与纳米技术研究领域迅速拓宽，内涵不断扩展。目前，普遍接受的定义为基本单元的颗粒或晶粒尺寸至少在一维上小于100nm，且必须具有与常规材料截然不同的光、电、热、化学或力学性能的一类材料体系。近十年，贵金属（如Au、Ag等）纳米结构因其丰富的表面等离激元特性而受到人们的广泛关注。表面等离激元是一种存在于金属表面的自由电子集体振荡，其共振频率及诱导的局域电磁场随纳米结构的形状、尺寸及周围介质显著变化。由于其独特的光学性质，金属纳米结构在生物探测、超分辨成像、亚波长光通信等领域有非常重要的应用前景。在本次论文中，通过使用一款远程控制
2、软件DDSCAT测出金属纳米粒子（已金为例）周围电场的分布，进而对纳米粒子的光学性质作出一定研究。7878关键词表面等离激元；纳米结构；电子结构；远程控制；金毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleOptical properties of metal nanostructuresAbstractThe field of nanomaterials and nanotechnology research is rapidly expanding, expanding connotation. At present, the commonly accepted definition of the
3、 particle or grain size of the basic unit of at least in one dimension less than 100nm, and must be very different from conventional materials, light, electricity, heat, chemical or mechanical properties of a material system. Nearly a decade, precious metals (such as of Au, Ag) nanostructures becaus
4、e of its rich surface plasmon features have been widespread concern. Surface plasmon is a metal surface free collective electron oscillations, the resonant frequency and the local field induced significant changes with the nanostructure shape, size, and the surrounding medium. Due to its unique opti
5、cal properties of metal nanostructures in biological detection, super-resolution imaging, subwavelength optical communication very important. In this paper, by using a remote control software DDSCAT to detect metal nanoparticles (gold for example) around the field distribution, and thus the optical
6、properties of nanoparticles to make some research. 其中，E为电场强度，D为电矢量，H为磁场强度，B为磁感应强度，j为电流密度，ρ为电荷密度。光学是一门有着悠久历史和强大生命力的学科，很多科学领域的基础理论都是通过光学实验得到验证，如黑体辐射、氢的原子线和光电效应等等。由于光子的能量与物质中电子及振动的跃迁能量可比，因此通过光谱研究，我们可以获得物质的结构和动力学的信息以及探测和操纵物质的量子态，这种手段在今天已得到广泛应用1。1959年，美国物理学家、诺贝尔奖获得者Feynman R P在美国加州理工学院召开的美国物理学学会上预言：人
7、类可以用小的机器制作更小的机器，最后实现根据人类意愿逐个排列原子及制造产品2。1981年，瑞士苏黎世IBM实验室的Rohrer H和Binnig G在研究导体之间的电子隧道效应的过程中，发明了扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscopy，简称STM）3。STM拥有原子级的空间分辨率，就如同人的“眼”和“手”，可直接看见和触摸原子。1989年,美国加州IBM实验室的Eigler D M博士使用低温（low temperature，简称LT）、超高真空（ultra-high vacuum，简称UHV）条件下的STM将35
8、个Xe原子操纵排布成了当时世界上最小的IBM商标，实现了直接操纵单个原子的梦想4。1990年，第一届国际纳米科学技术会议与第五届国际STM会议在美国巴尔的摩召开，在这次会议上，纳米科技（Nanotechnology）正式诞生5,6。图1.1(a)、(b)及(c)分别为诺贝尔奖获得者Feynman R P、Rohrer H及Binnig G；(d)Rohrer H与Binnig G搭建的STM得到的Si(111)-7×7表面原子分辨图像3；(e)Eigler D M使用LT-UHV-STM将35个Xe原子排布的IBM商标4。纳米（nanometer，10-9m，简称nm）是一种空间尺
9、度长度单位，等于几个原 图1.3纳米结构的奇异光学性质。(a)单个半导体CdSe纳米颗粒的荧光发射是量子化可用作量子通信中的单光子源7；(b)纳米颗粒组成的光子晶体，实现四色显示8；(c)半导体纳米线是一个荧光共振微腔，在低温或者强能量注入下可实现电子数翻转，导致荧光的激射9；(d)金属纳米颗粒的吸收及散射光谱随颗粒的尺寸、形状显著变化10。1.2纳米材料电子结构概述1.2.1 纳米材料电子结构的过渡特征及簇的桥梁作用基于纳米电子结构的过渡特征，研究时要注意它与经典原子物理、固体物理、及量子化学的联系，因为讨论纳米材料电子结构的基础，仍然是成熟的原子物理、固体能带理论与化学键理论。另一方面应予
10、重视的是，讨论纳米电子结构必然涉及由一定数量原子、分子构成的簇，因为纳米结构与原子簇、分子簇之间的尺寸界线已无法划分（见图1.4）。实际上，学术界已把原子簇、分子簇、和通常所说的纳米粒子定义在相同的尺寸范畴（1100nm），并取名为纳米簇。以单价金属为例，由于纳米结构体系与原子簇含有相近的原子数，所以在讨论这两个体系的电子结构是，人们所采用的基本概念、所建立的模型及理论计算方法基本上是一致的，所采用的分析测量方法也基本相同。另外，在构成量子点、量子线、量子阱，以及构成实用的纳米器件方面，原子簇（分子簇）与纳米结构两者是密切相关的。例如，讨论原子簇、纳米粒子与固体表面相互作用时，它们会遵循许多共
11、同的规律，表现出许多相似的光谱和光发射特性。由于“簇”拥有巨大的表面体积比，能用来探测微观表面现象，所以簇在分子、表面以及凝聚态化学物理之间搭起一座桥梁25,26，它对于基础研究的价值是十分明显的。 F(E)=（1-2）的费米统计。这是金属中的典型情况，清楚地显示Li纳米簇尺寸对电子能级密度的影响。图1.6 金属Li由原子孤立能级到固体能带的电子结构演变2.电子受限尺度一个多大尺寸的纳米粒子的电子结构会显示既与单个原子、分子的分裂轨道不同，又与块体的能带有明显的差别，能获得一个比较明确的尺寸分界呢？具体来说，这个问题不能简单用数字来回答，因为用肉眼和光学显微镜能观测到的
12、金属粒子，仍然具有体相特征，即便对只有1 的金属如Au，也有高达 数量的原子，则仍能保持能带结构，具有块状金属性质。若真要从数量上来讲，只能做定性的分析与回答。三维块体金属中的电子，以各种de Broglie波长传播。理论上，只要金属粒子的尺寸达到de Broglie波长的整数倍，导带中电子就可能是非定域的，由此可以看出最小的金属粒子必须具有电子波长的量级或是波长的整数倍。太小的粒子其电子只能被限定在原子核之间，表现为典型的分子特性。可以认为，电子在非定域与定域两种基本情况之间，虽然没有明确的分界线，但两者之间的电子结构的过渡特性必然存在，并同温度有关28。由于块体金属中传导电子是非定域的，通
13、常把这些电子称为自由电子，或更确切地称为不受限制的电子。相比之下，当导体的尺寸减小到纳米范围，传导电子开始受到限制作用，就是说传导电子的运动受到它所在区域物理尺寸的限制，吧这种现象定义为受限效应。这时，电子受到势垒限制，它要能够获得自由运动就必须克服这个势垒。所以严格地讲，这时电子被扣押在所谓势阱中，即被装在一个负能量的区域。 应当注意的是，当势阱深度有限时，势阱中电子的量子化能量与无限势阱中电子能级分布明显不同，如图1.8所示。图中右侧所示的是有限势阱如深度 时，有三个允许能级： ， 。但是对于无限势阱，同样在7 范围内，只有两个允许能级： 如图1.8左侧所示。应注意，不论势阱有多浅，至少有
14、一个束缚态图1.8一维有限方势阱中电子能级（右侧）和无限势阱电子能级（左侧）相对位置4.尺寸与维数对纳米电子结构参数的影响纳米粒子中的电子数N（E）及其状态密度D（E）=dN(E)/dE，会同时受到尺寸与维数的影响。尤为重要的是特定能量传导电子数量，不仅与能量有关，而且也与空间维数有关。这是因为，在一维空间含有电子的Fermi区域尺寸是2 长度，二维的区域尺寸为 圆，三维时Fermi区域为4 /3球体积29。通过简单换算，可以写出k空间(倒易空间)的Fermi能的表达式：（1-7）1.3表面等离激元（SP）上世纪中叶的电子学发展带来了产业上的信息技术革命，极大地改变了人们的社会生活方式和经济增
15、长模式。随着现代加工工艺的不断进步和电子器件集成化程度的提高，电子芯片的物理瓶颈如量子尺寸效应和热效应逐渐显现，对目前信息技术的发展造成不可避免的制约。到本世纪初，光子因其具有高速、低损耗、多位并行等优势，成为继电子之后的又一信息载体，成功突破目前电子芯片中二进制的限制。但是由于光的衍射极限的存在，光学元器件和芯片却很难实现小型化和大规模集成。 x(1-9)显然，每一个电子将以相同的频率= /m(1-10)在正电背景上振荡，这便是plasmon的频率。一般情况下，量子化能量ωp为530eV11。SP的共振现象由Wood R W于1902年首次在实验中发现12。1941年，FanoUJ等人根据空气与金属界面上的表面电磁波的激发解释了这种共振现象13。Ritchie R H发现当高能电子通过金属薄膜时，不仅在金属薄膜的plasmon频率处出现能量损失峰，在更低频率处也出现能量损失峰，他认为这与金属薄膜的界面有关，该结论于1959年被Po
