单个金属纳米颗粒的散射特性分析

0I单个金属纳米颗粒的散射特性分析摘要本文第一章从表面等离激元入手，运用Drude模型解释了表面等离激元是如何产生的。并阐述了表面等离激元由于金属结构的不同而产生的两种分类：局域的表面等离激元和传导的表面等离激元。在第二章中，主要阐述3种理论模型，Mie模型、Drude模型以及LorentzDrude模型，并对他们各自的优缺点、适用条件进行了简单的说明。第三章则是用COMSOLMultiphysics对单个金属纳米颗粒的散射特性进行仿真模拟，得到了不同尺寸（半径20、30、40、50、60nm）金球的吸收截面和散射截面曲线、并观测到了表面等离激元对光的选择性吸收和散射现象，以及吸收、散射峰的红移效应。最后也模拟了s偏振光和p偏振光以不同角度入射时金球的散射情况，可以发现s偏振光在有角度入射时的散射情况与垂直入射时基本一致，而p偏振光有角度入射时的散射情况与垂直入射时有很大的却别。得出的结果基本与理论一致，从而也验证了该仿真模拟的可行性。关键词：表面等离激元，Mie模型，Drude模型，LorentzDrude模型，散射截面，COMSOLMultiphysics仿真模拟IIStudyofsinglenanogoldparticle’sscatteringcharacteristicABSTRACTThefirstchapterofthisthesisisstartedfromsurfaceplasmon,usingtheDrudemodeltointerprettheproductionofthesurfaceplasmon.Andweshowthetwokindsofthesurfaceplasmon,causedbythedifferenceofthemetalstructure.Thefirstisthelocalizedsurfaceplasmonandthesecondisthepropagatingsurfaceplasmonpolarization.ThenwedisplayMiemodel,DrudemodelandLorentzDrudemodelmainlyinchapter2,moreovergaveanexhibitionoftheapplianceofthem.InthethirdchapterusingCOMSOL,westimulatesinglenanogoldparticle'sscatteringcharacteristicandgettheabsorptioncrosssectionandscatteringcrosssectioncurveofgoldspherewithdifferentsizes.Consequently,theselectiveabsorptionandscatteringphenomena,andthered-shiftofabsorption,scatteringpeaksarebothachievedinourexperiments.Finally,weshowgoldspherescatteringpropertieswiths-andp-polarizationlightincidentatdifferentangles.Spolarizationlightwasobservedthatitgavenodifferenceatminorornormalincidence,whileppolarizationlightshoweddistinctdifferencesatanyincidentangles.Wearriveatthesameconclusionwiththeory,whichconfirmstheavailabilityofthisstimulation.KEYWORDS：surfaceplasmon,Miemodel,Drudemodel,Lorentsmodel,scatteringcrosssection,COMSOLMultiphysics1目录单个金属纳米颗粒的散射特性分析..............................................I摘要......................................................................IStudyofsinglenanogoldparticle’sscatteringcharacteristic.............II前言......................................................................11表面等离激元（surfaceplasmons，SPs）.....................................21.1用Drude模型解释表面等离激元的产生..................................21.2表面等离激元的分类..................................................31.2.1局域的表面等离激元.............................................31.2.2传导的表面等离激元.............................................42表面等离激元的解析计算与相应模型..........................................62.1Mie模型.............................................................62.2Drude模型...........................................................62.3LorentzDrude模型...................................................82.4三种模型的适用情况及优缺点比较......................................83COMSOL仿真模拟............................................................93.1COMSOL介绍..........................................................93.1.1COMSOLMultiphysics发展历史....................................93.1.2COMSOLMultiphysics适用模块....................................93.1.3COMSOLMultiphysics的求解方式..................................93.2Comsol仿真模拟：单个金属纳米颗粒的散射特性分析......................93.2.1几何模型建立...................................................93.2.2参数设置......................................................123.2.3模拟结果及分析................................................154总结和展望...............................................................224.1总结...............................................................224.2工作展望...........................................................224.2.1模拟的准确性..................................................224.2.2实验可行性....................................................234.2.3误差分析及改进................................................23参考文献...................................................................25致谢.....................................................................261前言对光与物质之间相互作用的理解和控制，一直是人们梦寐追逐的目标,也是科技领域中至关重要的课题。一个多世纪以来，人们已经揭开黑体辐射、原子线谱的神秘面纱，从而催生了量子力学这门学科。从此以后，一系列研究成果、新颖现象和效应层出不穷地涌现出来，影响着许多学科的发展，包括激光的诞生，光学材料的研究，光子材料的研究光子晶体，基于芯片的集成光子学，但都存在衍射极限限制，无法和半导体工艺比拟。直到表面等离子体激元（surfaceplasmon，SP）的发现，突破了衍射极限[8]。光子与金属之间的相互作用，会引发出许多迷人的现象。导体中表面等离子体激元（surfaceplasmonpolaritons，SPPs）的激发，使人们得以利用金属等导体材料来控制光的传播。SPPs是光波与可迁移的表面电荷（例如金属中自由电子）之间相互作用产生的电磁模。这个电磁模有着大于同一频率下光子在真空中或周边介质中的波数。因此，通常情况下，这个电磁模不能被激发，从导体表面辐射出去。电磁场在垂直表面的两个方向上，均以指数式衰减。在一平坦金属/介电界面，SPPs沿着表面传播，由于金属中欧姆热效应,它们将逐渐耗尽能量，只能传播到有限的距离,大约是微米或纳米数量级。SPPs的研究已有长达100多年的历史了，由于受早期制作电子元件的工艺水平的限制，加工不了微米、纳米尺寸的元件和回路，所以SPPs显露不出它的特性，不为人们所关注。随着工艺技术的长足进步，现今制作特征尺寸为微米和纳米级的电子元件和回路，已不成问题了。只有当结构尺寸可以与SPPs传播距离相比拟时，SPPs特性和效应才会显露出来。随着计算机技术的发展，理论仿真工具凭借其强大计算能力、可操作行以及可重复性，正在被越来越多的学者利用。在实验的仿真模拟方面，仿真工具更加突出了其节省人力物力的特点，其模拟结果也可以为将来的实验结果提供参考。本文第三章所运用的是COMSOLMultiphysics仿真软件，其专业的计算模型库，丰富的CAD建模系统，以及多物理场的耦合，为我们的工作提供了大量的帮助。本文的主要工作是运用Drude模型解释了表面等离激元是如何产生的，并阐述了表面等离激元由于金属结构的不同而产生的两种分类；阐述3种理论模型，Mie模型、Drude模型以及LorentzDrude模型，并对他们各自的优缺点、适用条件进行了简单的说明；用COMSOLMultiphysics对单个金属纳米颗粒的散射特性进行仿真模拟。21表面等离激元（surfaceplasmons，SPs）表面等离激元是金属纳米结构中自由电子的共振，能产生一些新颖的光学性质，比如对光的选择性吸收和散射[9-10]、局域电场增强[11]等。当改变金属表面结构时，表面等离子体激元的性质、色散关系、激发模式、耦合效应等都将产生重大的变化。1.1用Drude模型解释表面等离激元的产生在外电场的作用下，金属中自由电子的运动可以表示成：)exp(022tieEdtdxmdtxdm，（1）其中，x表示电子的位置，m为电子的质