锑烯纳米结构等离激元的第一性原理研究

利用含时密度泛函理论(time-dependent density functional theory(TDDFT)),研究了锑烯纳米结构表面等离激元的激发特性,并给出了微扰场沿着扶手椅边界和Z字边界激发时锑烯纳米结构的吸收光谱.结果表明沿不同的方向激发,吸收光谱不同.距锑烯纳米结构表面0.9处的能量共振点的电荷密度分布表明,在低能共振区,等离激元共振属于键合二聚体的等离激元模式(BDP).     

基于纳米颗粒阵列与法布里-珀罗干涉结构的超灵敏传感器设计

当前的等离激元传感主要基于表面等离极化激元和局域表面等离激元共振两种模式.然而基于表面等离极化激元的传感需要精确的入射角度及多种光学元器件的配合方能使用;而基于局域表面等离激元共振的传感由于共振线宽较宽导致其灵敏度和品质因数(figure of merit,FOM)不够高.设计了一种基于纳米颗粒/间隔层/反射层结构的具...     

Ag@Au双金属纳米颗粒的制备和表征

采用种子生长法制备了银纳米颗粒,通过电置换反应将单金属银颗粒转变为中空金银双金属纳米颗粒.电镜表征及吸收光谱的结果表明,通过控制种子溶液的加入量、超声时间和离心次数等条件,能够有效调控金属纳米颗粒的尺寸以及局域表面等离激元的共振峰位与目标分子匹配;进而可以利用配体交换反应在金属纳米颗粒表面包裹TDBC分子薄膜,实现表面等离激元-分子激子的强耦合.     

基于表面等离激元的量子相干效应的理论研究

起源于金属中自由电子集体振荡的表面等离激元,具有超小的光学模式体积和亚波长局域的近场增益,为纳米尺度上研究光和物质相互作用带来新的机遇．共振的纳米金属结构的近场区域,具有各向异性的珀塞尔系数,并且可以为量子体系提供近场激发．我们理论上演示了基于表面等离激元结构的单分子共振荧光、原子布居数的本征量子拍频及其在表面等离激元结构中的纳米尺度上的实现、表面等离激元诱导的各向异性珀塞尔系数导致的亚波长尺度自发辐射谱线的变化．这些结果在超紧凑的有源量子器件中有潜在应用．     

局域表面等离激元增强红外吸收

红外吸收光谱是探测和鉴定分子的有效工具,然而其应用受到分子低红外吸收截面的限制.金属或高掺杂半导体纳米材料的局域表面等离激元能够产生极大的局域电磁场增强.当分子红外振动与局域表面等离激元发生耦合共振时,分子的振动信号会被极大增强,可实现对目标分子的微量甚至痕量检测.由于其在化学、生物和医药等方面的巨大应用前景,近年来局域表面等离激元增强红外吸收引起了人们的广泛关注.本文首先介绍了表面等离激元增强红外吸收效应的产生机理和理论模型,在此基础上重点讨论了几类不同结构和组分的可实现表面等离激元增强红外吸收的纳米材料的制备方法和增强效果,最后总结了该效应在光谱成像、生物分子检测、环境污染物监测和气体检测等诸多方面的重要应用.     

Au纳米耦合结构表面等离激元的EELS分析

应用透射电子显微镜中电子能量损失谱仪(TEM-EELS),对电子束激发的单晶Au纳米线耦合结构及单晶/多晶纳米薄膜的表面等离激元(SPs)特征进行分析.结果表明:直径约为10 nm的两单晶Au纳米线平行耦合时,单根纳米线和耦合结构中均存在位于2.4 eV 的SPs共振,耦合结构中SPs的纵模数增加;单晶及多晶Au纳米薄膜在1.4 eV附近存在SPs模式,相较于单晶薄膜,多晶Au纳米薄膜的SPs共振峰位出现明显红移.     

双开口劈裂方环/方形环中磁法诺共振的调控

基于有限元法,从理论上研究了双开口劈裂方环/方形环纳米结构(double split ringsquare ring,DSR-SR)中的等离子体共振和局域电磁场增强等光学特性.由于方形内环的亮模式和双开口劈裂环的暗模式的相互干涉,在该结构中产生了磁法诺共振现象,通过改变该结构的几何参数,可以实现对共振峰位置和强度的有效调控.计算结果表明,该结构中的共振峰对周围介质折射率变化敏感,品质因子最高可达到25.3,并且各共振峰处的局域电场和局域磁场都有很大增强.基于该结构的这些性质,它可以应用于传感器、多光谱表面增强光谱学、低损耗的磁性等离激元的传播和其他基于磁性法诺的光学器件.     

金属纳米颗粒增强太阳能电池光吸收效应研究

采用Mie理论,对球形纳米金属颗粒进行数值计算,研究了金属纳米颗粒在发生表面等离激元共振时表现出的散射效应.改变金属材料类型或者颗粒尺寸大小,金属纳米球的散射效率均发生不同程度的变化.这一现象表明:金属纳米颗粒的散射效应受材料类型和尺寸大小的影响显著.计算结果表明,半径为100nm的Ag纳米颗粒在发生表面等离激元共振时,散射效率最高,吸收效应最弱.     

环形石墨烯纳米结构的等离激元激发

基于含时密度泛函理论,研究了环形石墨烯纳米结构的等离激元激发.在低能共振区,和同尺度大小的石墨烯纳米结构相比,环形石墨烯纳米结构光谱的主要吸收峰发生了红移;体系中有两种主要的等离激元共振模式:低能成键模式和高能反键模式.此外,环形石墨烯纳米结构的等离激元激发对体系尺度的大小也有一定的依赖性.     

Ag纳米孔阵列中的表面等离子体特性及其相关光学性能

Ag纳米孔阵列因为反常光学透射现象而在基础研究领域和应用研究领域受到广泛关注。目前有关金属孔阵列结构EOT现象的起因还没有得出一个完整清晰的物理机制,这是由于金属孔阵列中存在着复杂的表面等离子体特性。论文基于时域有限差分技术,采用FDTD Solutions软件对Ag纳米孔阵列的光学性能与孔的形状、孔阵列的周期以及薄膜厚度间的关系进行了仿真研究,并对光学现象背后的物理机制——Ag纳米孔阵列中的表面等离子体耦合特性进行了仿真分析。研究结果表明:局域表面等离子体共振和表面等离子体激元间的耦合将会对Ag纳米孔阵列的光学性质产生重要的影响,其中孔形对局域表面等离子体共振和表面等离子体激元间的耦合影响巨大。Ag矩形纳米孔阵列展现出了有趣的光学行为:上、下表面金属表面等离子体激元间的反对称耦合模式,以及靠近矩形纳米孔两长边的局域表面等离子体共振间的反对称耦合模式分别被激发了。     

银纳米粒子的消光光谱与粒子形状的关系

先利用离散偶极子近似(Discrete Dipole Approximation,DDA)的方法,分别计算置于空气中的球形、不同长径比的椭球形和棒形银纳米粒子的消光光谱.计算结果表明:球形纳米粒子仅存在单个等离子体共振尖峰;而椭球状和棒状粒子则存在横向和纵向两个等离子体共振峰;并且横向峰的变化不甚明显,而纵向峰会随粒子长径比的增大而线性地红移.再结合Gans的解析理论,分析等离子体共振的机理,并研究纵向等离子体共振峰随着粒子长径比的增大而红移的现象.     

Plasmonic coupling in single flower-like gold nanoparticle assemblies

Localized surface plasmon resonance (LSPR) arises when light interacts with metallic nanoparticles (NPs). When nanoparticles (NPs) assemble together, the plasmon coupling effect between the NPs often leads to new features in the LSPR of the assembled structure. Understanding the plasmon coupling in the complex assemblies will greatly benefit the development of new plasmonic devices. Here we demonstrate the fabrication of a 3D structure using two different sized Au NPs as building blocks. This 3D structure was achieved by manipulating the binding efficiency of ligands linking the NPs, and proper choice of the NP size. The assembled structure is flower-like structure, with one 130 nm Au NP in the center, and several 40 nm Au NPs attaching as “petals”. Single particle dark-field scattering measurements of the individual assemblies were performed, together with electrodynamics simulations. The experimental and theoretical studies show that, the plasmonic coupling lead to broadening of the LSPR and additional peaks, depending on the number and 3D arrangement of the 40 nm NPs around the center 130 nm NP.     

掩埋物对声-地震耦合效率的影响

为验证声共振探雷模型对地雷的鉴别能力,研究了不同掩埋物对声．地震耦合效率的影响．首先,简述声波共振技术探测地雷的基本原理及其实验系统;其次,检测在没有埋藏物、埋藏地雷及埋藏砖头3种情况下声波激发的地表振动速度的幅频特性曲线;最后,用有无掩埋物地表振动速度相对值的数据处理方法分析地雷对地表振动的影响．研究结果显示,埋藏地雷与没有埋藏物的地表振动速度的比值在很宽的频带内大于1,地雷能引起地表振动状态的明显变化．表明掩埋地雷能提高声一地震耦合效率,声共振探雷模型具有较强的地雷鉴别能力．     

基于局域化表面等离子共振特性的高灵敏度凝血酶检测

用核酸适体(TBA)修饰的纳米金(GNP-TBA)共振散射光谱探针实现了对凝血酶(Thrombin)的特异性识别与检测。利用表面等离子体暗场显微光谱技术(LSPR-DFM),发展了一种新型的、具有时空分辨和高灵敏度的检测手段,实现了对微区内凝血酶的检测。利用该方法可以捕捉单个纳米颗粒的形貌特征并且追踪金属纳米粒子和其周围生物分子之间的相互作用,从而实现单颗粒水平上的生物分析。     

等离子体纳米结构Fano谐振的Q值计算研究

具有Fano谐振的表面等离子体纳米结构因其独特的光学特性及应用潜力,受到了广泛的关注和研究.品质因子（Q值）是谐振模式电磁存储能力的一个重要评价指标,本文从定义出发得到了Q值的时域拟合公式,并结合时域有限差分方法对典型金属纳米结构以及Fano谐振各特征模式的Q值展开研究;此外,还使用了较为简单方便的频域半高宽公式对上述结构进行了Q值计算.通过对比两种方法得到的结果,我们发现尽管频域半高宽公式能够适用于简单的金属纳米结构谐振模式Q值计算,但是在处理Fano谐振的Q值时将会带来较大的误差,有些情况下甚至极大地偏离实际值导致计算结果失去意义.,而本文中采用的时域拟合Q值公式从谐振模式的本质出发,不受结构响应谱线型的影响,适用于各种情况下对谐振模式Q值的准确计算.     

等离子体太阳电池的研究进展

 高效太阳电池是近年太阳电池产业发展的目标,等离子体太阳电池技术则是近年来研究的比较活跃的高效太阳电池技术之一。该文对等离子体太阳电池,从原理,材料到技术的最新研究进展做了比较全面的论述。等离子体太阳电池主要是利用贵金属纳米颗粒的表面等离子体效应增强太阳电池的光吸收。该技术既可以用在传统的硅电池上也可以用在薄膜电池上,尤其适用于作为薄膜电池的陷光结构,并且易于和传统的电池制造工艺相结合,有实现商业化的潜力。     

涂覆石墨烯的电介质纳米盘的表面等离激元回音壁模特性

提出涂覆单层石墨烯的电介质纳米盘结构,并利用有限元方法数值解析这种纳米结构的表面等离子激元回音壁模的电磁场特性.计算并分析品质因子(Q值)、模式体积随着电介质纳米盘半径大小、石墨烯化学势和谐振频率的变化规律.结果表明:当纳米盘的半径为5 nm,石墨烯化学势为0.9 eV时,其品质因子高达195,对应模式体积小于2×10^-7(λ₀/2n)³.     

射流表面多因素耦合减阻特性及其对边界层的控制行为

为了研究多因素耦合对射流表面减阻特性的影响,运用可拓学基本原理建立主流场速度、射流速度、射流孔高排布、射流孔底排布等特征耦元及其耦合方式的可拓模型,利用标准k-ε湍流模型对射流表面多因素耦合条件下的减阻特性进行数值模拟,分析射流表面黏性阻力和减阻率减小的原因,以及射流表面多因素耦合对射流孔附近壁面流域边界层的控制行为.结果表明:射流表面多因素耦合的减阻效果较好,最大减阻率为27.69%;多因素耦合条件下的射流表面改变了壁面剪应力分布,影响了边界层的结构,同时,在射流孔下游形成的漩涡改变了边界层的厚度,导致壁面黏性阻力降低,从而使得射流表面具有较好的减阻效果.     

Solving surface plasmon resonances and near field in metallic nanostructures: Green’s matrix method and its applications

With the development of nanotechnology, many new optical phenomena in nanoscale have been demonstrated. Through the coupling of optical waves and collective oscillations of free electrons in metallic nanostructures, surface plasmon polaritons can be excited accompanying a strong near field enhancement that decays in a subwavelength scale, which have potential applications in the surface-enhanced Raman scattering, biosensor, optical communication, solar cells, and nonlinear optical frequency mixing. In the present article, we review the Green’s matrix method for solving the surface plasmon resonances and near field in arbitrarily shaped nanostructures and in binary metallic nanostructures. Using this method, we design the plasmonic nanostructures whose resonances are tunable from the visible to near-infrared, study the interplay of plasmon resonances, and propose a new way to control plasmonic resonances in binary metallic nanostructures.