金银纳米颗粒光学特性的理论研究

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纳米颗粒由于其微小的尺寸,决定了它异于块体材料的特殊性质。纳米材料已经在材料、医学、能源、工业、电子、环境等领域发挥了其巨大的作用,推动了产业化发展进程,方便和改善了人们的日常生活。目前,对纳米材料的制备、特性以及表面等离子体共振、表面增强拉曼散射、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、介电限域效应等物理特性的理论研究已经比较成熟。其中纳米粉体材料的生产已经初具规模,并且应用在了纳米制剂、纳米微电子等领域。但是,纳米颗粒的去极化效应是近几年才开始研究的特性,对此方面的研究还不是很完善。为了研究其去极化光谱,了解它与等离子共振吸收光谱的联系和区别,本文建立了球形纳米颗粒的去极化场模型,详细推导了球形纳米颗粒的去极化场公式。由于去极化公式中与介电常数有很大关系,因此对与普通磁性介质不同的金属的介电常数以及核壳结构的复合纳米颗粒的介电常数进行了讨论。以球形金、银、金-银复合纳米颗粒以及核壳结构的金银复合纳米颗粒为研究对象,采用matlab软件编程模拟了它们在均匀散射场中的去极化行为,测量了其去极化光学吸收光谱。并且讨论了金属纳米颗粒半径、外部介质、光照强度以及颗粒的核壳比等因素对其光谱的影响。研究结果表明,纯金、纯银以及金银复合、金芯-银壳复合纳米颗粒去极化光谱都具有单峰的特征。在不同能量光照下,其介电常数是不同的,所以其去极化光谱也是变化的。但是金银复合纳米颗粒以及金芯-银壳复合纳米颗粒的峰值总是介于纯金和纯银纳米颗粒去极化峰值之间。去极化场的相对透射光强度会随着粒子尺寸的增加而红移,也会随着外部介质的改变,即介电常数的增加而红移,并且粒子尺寸越大、外部介质介电常数越大,相对透射光强度也越大。对于金属复合纳米颗粒,去极化峰还会随着复合材料中金银组分或者核壳比值的改变而发生近乎线性的红移或蓝移。究其原因,都是由于去极化场的存在改变了金属表面等离子体共振的情况。这说明可以通过控制入射光的能量、纳米颗粒半径、外部介质、金银的组分或者核壳比来可控的改变金属纳米颗粒的去极化光谱,以实现其在医学造影成像方面更有选择性的应用。
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