由于具有独特的电子和光学特性,贵金属纳米颗粒引起了人们极大的兴趣,并被广泛应用于催化、光学及生物医学等领域。贵金属纳米颗粒最主要特征是在入射光辐照下其表面局域等离激元共振将产生强烈的光学吸收和散射,并在颗粒周围产生极强的电场。近年来,随着制备工艺和研究手段的不断发展和完善,具有不同大小、形态和结构的贵金属纳米颗粒被制备出来,并得到了广泛的研究和应用。在众多贵金属纳米颗粒中,特别令人感兴趣的是多层复合球结构颗粒。除了具备上述特性外,其等离激元共振受到各材料层半径比的调制,使得共振吸收峰在可见到近红外区域内变化。此外,二金属金银多层纳米颗粒还同时具备金纳米颗粒的稳定性和生物相容性以及银纳米颗粒较强的等离激元共振等特点。本论文应用经典的Mie散射理论、准静态理论及有限元方法研究了金纳米球壳颗粒、二金属金银纳米球壳颗粒、各向异性球核金纳米球壳颗粒、二金属三层纳米球壳颗粒以及金纳米球壳二聚物的局域表面等离激元共振特性,讨论了结构变化对颗粒等离激元共振及耦合特性的影响,并对其物理内涵进行了详细的阐述,为多层贵金属纳米复合球颗粒在光学及生物医学领域中的进一步应用奠定基础。主要研究内容包括：　　 ⑴应用两层球壳的Mie散射理论研究了金纳米球壳颗粒几何结构变化及包埋介质对其远场吸收和近场增强分布的影响,详细讨论了各种条件下金纳米球壳颗粒的偶极与四极共振峰的振动能量及吸收强度的变化特征,并应用极化电荷、自由电子及振荡电荷的竞争机制对上述变化特征进行了解释。计算了金纳米球壳颗粒的近场增强,讨论颗粒的近场增强分布特征及电场最大增强随波长变化的关系.此外,还制备了具有较高稳定性的单分散性金纳米球壳水溶液,首次应用Z扫描方法测量了其三阶非线性光学特性。在闭孔和开孔的Z扫描实验中,分别观察到了自散焦和饱和吸收现象,并获得了金纳米球壳水溶液在532 nm波长的激光照射下的非线性折射率和非线性吸收系数。　　 ⑵对具有球形各向异性内核的金纳米球壳颗粒,推导获得了其准静态电磁散射场分布,计算了颗粒的远场光谱和近场增强分布。详细讨论了内核各向异性程度变化对颗粒等离激元共振峰、半波宽度及近场增强的影响。研究发现,核各向异性程度的增加导致颗粒等离激元共振产生较大的红移,共振峰的半波宽度也相应增大,而且内核各向异性比率越小,其近场增强越大。此外,应用准静态方法计算了二金属金银纳米球壳颗粒的远场光谱和近场分布。着重讨论了Au-Ag和Ag-Au颗粒的近场增强分布特征,分析了两者间的区别与联系。研究发现,两种颗粒在共振波长均具有典型的偶极激发近电场分布特征,颗粒周围较大的电场增强沿着入射偏振方向分布;Au-Ag颗粒壳内电场增强垂直于入射偏振分布,Ag-Au颗粒的壳内电场增强则仍然平行于入射偏振。　　 ⑶提出了一种全新的二金属金银三层同心纳米球结构,其同时具有金银两种材料的优点,更重要的是通过结构调整,其局域表面等离激元共振可以在可见到近红外区域变化。我们推导获得了三层同心球结构电磁散射场分布,并计算了SiO2-Ag-Au和SiO2-Au-Ag两种纳米球壳颗粒的远场光谱,研究了结构变化对两种颗粒局域等离激元共振特性的影响。研究发现,随着内核半径的增大,SiO2-Ag-Au颗粒共振消光峰将从相同尺寸参数Ag-Au颗粒的消光峰位置红移到SiO2-Au颗粒的消光峰位置,与此类似,SiO2-Au-Ag颗粒消光峰则在Au-Ag颗粒与SiO2-Ag颗粒消光峰位置之间变化;各金属层厚度的减小也会引起颗粒等离激元共振的红移,而银壳层变化对颗粒等离激元共振的影响更大;两种颗粒均具有很好的环境敏感特性。此外,还应用三层球的电磁散射理论计算Au-SiO2-Au颗粒的远场光谱,研究了内核变化及介质层变化对颗粒远场光学特性的影响。讨论了中间介质层厚度及介电常数变化对外层金壳和内金核间共振耦合的影响,并对其耦合机制进行了深入的分析。研究发现,Au-SiO2-Au纳米球壳比金纳米球壳颗粒具有更好的近红外光学特性,其等离激元共振可以更容易的移动到近红外区域。　　 ⑷应用有限元方法研究了金纳米球壳颗粒及其二聚物的光学特性。着重讨论了金纳米球壳上小孔的变化以及金纳米球壳二聚物间隔尺寸变化对颗粒系统近电场增强特性的影响。此外,还研究了入射光偏振对包含有上述两种“热点”的颗粒及二聚物的近场增强分布的影响。当金纳米球壳上的小孔落于二聚物的间隔位置时,在其间隔处将获得超强的近场增强。这样的近场增强特性将有助于其表面增强拉曼信号的增强,并可以更好的应用于光学及生物医学领域。