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PINGDINGSHANUNIVERSITY平顶山学院本科毕业论文题目:球形银纳米颗粒光学特性研究院(系):电气信息工程学院专业年级:08级物理学姓名:王文杰学号:081040101指导教师:万明理实验师2012年2月23日平顶山学院本科毕业论文1原创性声明本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文，是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。毕业论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：日期：球形银纳米颗粒光学特性研究2关于毕业论文使用授权的声明本人在指导老师指导下所完成的论文及相关的资料（包括图纸、试验记录、原始数据、实物照片、图片、录音带、设计手稿等），知识产权归属平顶山学院。本人完全了解平顶山学院有关保存、使用毕业论文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权平顶山学院可以将本毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本毕业论文。如果发表相关成果，一定征得指导教师同意，且第一署名单位为平顶山学院。本人离校后使用毕业论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为平顶山学院。论文作者签名：日期：指导老师签名：日期：平顶山学院本科毕业论文3摘要金属纳米粒子的表面等离子体共振性能早在17世纪就被人们所发现，并通过在玻璃中镶嵌金溶胶粒子使得玻璃呈现出丰富多彩的颜色。表面等离子体性能是金属纳米结构非常独特的光学特性，对金属纳米结构体系的表面等离子体性能及其相关效应的研究已成为国际上迅猛发展的热点研究领域之一，即表面等离子体光子学。金属纳米结构激发的表面等离子体能带来一些令人感兴趣的现象，例如亚波长表面等离子体波导，局域场增强和光透射增强等等。关键词：球形银纳米颗粒，光学特性，仿真模拟球形银纳米颗粒光学特性研究4外文摘要平顶山学院本科毕业论文5目录球形银纳米颗粒光学特性研究61绪论1.1问题研究的缘起19世纪末，英国物理学家瑞利为了解释天空为何成蔚蓝色，研究了尺寸远小于光波长的极小微粒的散射问题，提出了著名的瑞利散射。瑞利散射是指适用于尺度在10以下的极小微粒，散射光波长等于入射光波长，散射光强度正比于入射光频率的四次方且各个方向上散射光强不等的散射。随着颗粒尺寸的增加，散射光强不再遵守正比于频率四次方的关系，甚至可能完全与波长无关。1908年，德国科学家GustavMie(米氏)用经典波动光学理论的麦克斯韦方程组，加上适当的边界条件，解出了任意直径，任意成分的均匀球型粒子的散射光强角分布的严格数学解。因此，为了区别于瑞利散射，当颗粒尺寸与波长可相比拟时，发生的散射被称为米氏散射。但是无论是瑞利散射还是米氏散射，其散射光的频率与入射光的频率相等。1928年，印度物理学家拉曼(RamanCV)利用汞灯作为光源研究纯苯液体的光散射时，通过棱镜分光后人眼观察发现，散射光中除了有与入射光频率相同的瑞利散射光之外，还有与入射光频率发生位移(频率增加或减小)且强度极弱的分子特征谱线，后来这一效应被称为拉曼散射效应。根据量子力学的观点，光与物质之间的散射可看作光子（光的微粒说）与分子之间的碰撞。发生弹性碰撞时，由于光子与分子之间无能量交换，光子的频率不发生改变，仅传播方向发生了改变，这种散射过程即为上述的瑞利散射或米散射；如果发生了非弹性碰撞，那么入射光子与分子之间存在能量交换，光子不仅改变了传播方向且改变了自身频率，这种散射过程就是拉曼散射。但是我们知道，拉曼散射是一个比较微弱的过程，器散射强度仅仅为入射光强的10-10，这严重制约了拉曼散射的观测与应用，但是后来人们发现当选取的激发波长接近于分子的的电子的吸收峰时，导致拉曼跃迁的几率将大大增加，这使得分子的某些振动模式的散射截面大大增加，这就是所谓的共振拉曼散射效应。表面增强拉曼光谱的平顶山学院本科毕业论文7的发现弥补了拉曼光谱比较微弱的这一缺点，对后来拉曼光谱技术的推广应用起到了很大的推进作用。1.2研究的现状随着人们对纳米材料研究的不断深入金属纳米的制备技术已经日趋成熟：现在人们基本上已经可以实现任意形状或结构的金属纳米材料的制备。并且由于金属（尤其是贵金属）纳米颗粒独特的光学性质——局域表面等离子体共振（Localizedsurfaceplasmonresonance，LSPR），金属纳米粒子的光学特性引起了包括物理学家和工程技术人员的广泛兴趣，人们对其研究的发展十分迅速，并很快应用于表面增强拉曼散射,生物传感器，纳米光子器件，太阳能电池，吸波材料等领域。由于LSP共振激发与纳米粒子的形状、尺寸、组分以及环境媒质有密切关系，所以各种非球型结构的纳米粒子（包括盘、线、环等）用数值和实验方法已经被人们进行了深入广泛的研究。但是由于从科学研究的角度来讲应从最初最基本的地方入手，而不应是只求上行，忽略基础，回过头我们发现，人们对于球形纳米颗粒的光学特性研究虽然透彻，但是很少有人完整详细地总结最近本的如球形纳米颗粒的光学特性。因此导致研究者在想深入研究纳米颗粒的光学特性时，对球形这一研究领域里基本的形状并没有一个完整详细的物理机理的认识。本文就用Mie理论以金属银为例研究球形纳米粒子LSP模式，系统给出球形银纳米颗粒的消光、吸收和散射系数的解析解，为非球型结构颗粒LSP物理机理认识提供帮助。2球形纳米银颗粒的光学特性2.1球形银纳米颗粒对光的散射性实际中我们遇到的粒子往往是非球形的，但我们为了研究的方便，通常将粒子作为球形粒子来考虑，我们现在以球形银纳米颗粒作为研究对象。当一定向光束经过障碍物时向四周散开的现象统称为光的散射。当障碍物是粒子时，粒子把入射光能量的一部分向各个方向球形银纳米颗粒光学特性研究8散射，散射光方向与入射光方向的交角成为散射角，散射光与入射光组成的平面成为散射平面。引起光散射的机制多种多样。从经典力学的角度来看，光与任意形状的微小颗粒发生相互作用时，在外界电磁场的激励下，颗粒发生极化并形成多个振荡的电偶极子，从而向各个方向散射次级辐射。但是当颗粒的尺寸远小于入射光波长时，粒子对光的散射成为瑞利散射。其主要特征是：散射光的总能量与入射光波长的四次方成反比；散射光强度与观察方向的关系比较简单；前向散射能量等于后向散射能量。但是，当粒子的尺度对于入射光波长增大时，瑞利散射就不再适用了，这时，我们就用Mie散射理论来研究讨论粒子的散射情况。前面我们已经提到过，1908年GustavMie为了研究水中悬浮的胶体颗粒对光的吸收和散射问题时，从电磁场理论的麦克斯韦方程组出发，得出了均质球形颗粒在电磁场中对平面波散射的的精确解析解。若球形粒子的半径为a，入射光的波长为并定义尺度参数为，粒子的复折射率为(虚部不为零表示有吸收)，取球形粒子中心处光程，与光线垂直并与散射平面平行的方向为，平顶山学院本科毕业论文9与光线及散射平面垂直的方向为。在方向，入射光的电矢量分别为：(2.1)将电场的周期振动用复数表示：(2.2)在散射角为，球形粒子中心r(ra)处，散射电磁波的电场分量为：(2.3)(2.3)式中kr是电磁波传播r距离后，对相位的影响，是复数，分别成为“复振幅函数”的垂直分量及平行分量。若写成复数的模及辐角的形式，取(2.3)式的实部为(2.4)由于对于散射过程的完整描述是把散射光的斯托克斯与入射光的斯托克斯之间的关系表达出来，若入射光的斯托克斯参量为。它在方向的光强为别为：在离散粒子中心r处，散射光的斯托克斯参量为：。它在方向的光强为别为：球形银纳米颗粒光学特性研究10传播常数,圆频率，为波长，T为周期，L为电磁波传播的距离，t为时间，入射光的电振动为(2.5)离散粒子中心r处，散射光的电振动为(2.6)(2.6)式中的，，分别代表散射后的电磁波振幅的变化，它们和散射粒子的物理性质，散射角，入射光波长等因素有关。所以(2.7)根据？？？？？？？？？？？？？？？？？？有2.2球形银纳米颗粒对光的吸收性平顶山学院本科毕业论文112.3球形银纳米颗粒的消光性3球形银纳米颗粒的近场分布4对该模型的数值仿真球形银纳米颗粒光学特性研究125附录参考文献○1CraigF.Bohren&DonaldR.Huffman.AbsorptionandScatteringofLightbySmallParticles.JohnWiley&Sons,1993○2UweKreibigandMichealVollmer.OpticalPropertiesofMetalClusters.Springer,1993○3DraineB.T.andFlatauP.J.“UserGuidefortheDiscreteDipoleApproximationCodeDDSCAT7.1”,○4王茂琰.电磁波在异向介质中传播和散射特性的研究:[D].成都:电子科技大学,2008○5左浩毅.大气光谱学与Mie散射研究:[D].成都:四川大学,2007○6吴大建,刘晓峻.金纳米球壳光学吸收的Mie理论分析.物理学报,2008,57(8):5138-5142平顶山学院本科毕业论文13○7齐宏,阮立明,王希影等.双球聚集粒子辐射特性分析.工程热物理学报,2009,30(2):273-275○8代光辉,任智斌.采用MATLAB语言的计算机仿真微球体消光率特性研究.红外与激光工程,2004,33(3):231-2345致谢历时将近两个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要特别感谢的是我的论文指导老师——万明理实验师，他耐心的对我进行了许多无私的指导和帮助，帮助我进行论文的修改与完善。另外，在校图书馆网站查找资料的时候，熟知图书馆网站资料库查询的王凯老师也给我提供了多方面的支持与帮助。在此向指导和帮助过我的各位老师表达我深深的谢意！球形银纳米颗粒光学特性研究14同时要感谢这篇论文所涉及到的各位学者老师。本文引用了数位学者老师的研究文献，如果没有各位学者老师的优秀研究成果的帮助和启发，我将很难完成本文的编写工作。感谢我的同学和朋友，你们在我写论文的过程中给予我了许多素材启发，还在论文的撰写和排版过程中提供了热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写的本篇论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正。