金属纳米颗粒太赫兹波段的表面增强拉曼散射研究

摘要

太赫兹波谱位于红外与微波之间，它属于以经典理论为基础的电子学和以量子跃迁理论为基础的光子学交叠区域，由于性质呈现出一系列特殊性，因此太赫兹波在医学、成像、通信和天文等诸多领域，尤其在生物大分子探测方面有着突出的应用优势。表面增强拉曼散射（Surface-enhanced Raman Scattering，SERS）技术在生物大分子检测方面与太赫兹有很多共同点，将太赫兹波与SERS结合起来形成一种基于SERS的太赫兹探测技术，在生物大分子检测过程有着明显的优势，不仅可以描述生物大分子的分子结构，而且可以对生物分子的浓度进行检测。金属纳米颗粒的表面电磁增强效果是SERS基底组成部分，使用时域有限差分（Finite Difference Time Domain，FDTD）方法对其进行数值计算与模拟是本文的研究基础。本文就太赫兹技术与SERS技术相结合的研究命题进行了以下研究:
　　1)分析了拉曼散射的形成原理与表面增强拉曼散射的增强机理，针对太赫兹波技术和SERS技术相结合的基础模型进行了深入研究。
　　2)研究了描述电磁场的Maxwell方程组在FDTD计算域的差分形式，并着重分析了金属纳米颗粒的色散特性在数值计算过程中的处理方式。
　　3)使用FDTD方法对金属纳米颗粒在太赫兹波段的增强因子大小分布情况进行了深入研究，从基础上证明太赫兹波技术与SERS技术相结合的合理适用性。通过对金纳米颗粒二聚体“热点”处的近场拉曼电磁增强效果进行计算仿真，得到了“热点”处的电磁增强因子可以达到106的结果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 太赫兹波概述

1．1．2 拉曼散射及表面增强拉曼散射概述

1．2 太赫兹波的研究近况

1．2．1 生物医学领域

1．2．2 军事领域

1．2．3 成像技术

1．2．4 太赫兹通讯技术

1．3 表面增强拉曼散射的研究进展

1．3．1 多种技术联用及传感器

1．3．2 单品电极表面拉曼光谱的研究

1．3．3 新型SERS活性基底

1．3．4 SERS理论研究

1．4 论文研究目的和内容

1．5 本论文的创新点

第二章 拉曼散射及表面增强拉曼散射

2．1 拉曼散射光谱

2．1．1 拉曼散射光谱研究发展简述

2．1．2 拉曼散射光谱理论解释

2．2 表面增强拉曼光谱

2．2．1 表面增强拉曼光谱的发现

2．2．2 表面增强拉曼散射物理增强机理

2．2．3 表面增强拉曼散射化学增强机理

2．3 金属纳米粒子的近场增强效应的物理增强机制

2．3．1 影响金属纳米粒子表面SERS信号增强的关键因素

2．3．2 金属纳米粒子表面电磁增强的物理机制

2．4 本章小结

第三章 解决复杂电磁场问题的数值计算方法——时域有限差分法

3．1 时域有限差分法的基本原理

3．1．1 Yee氏网格

3．1．2 麦克斯韦方程的差分形式

3．2 数值稳定性问题

3．3 数值色散问题

3．4 吸收边界条件

3．4．1 Mur吸收边界

3．4．2 PML吸收边界

3．5 色散散射源介质中的时域有限差分方程

3．5．1 金属色散介质中的时域有限差分方程

3．6 本章小结

第四章 太赫兹波段的金属纳米颗粒的SERS研究

4．1 太赫兹波段金属纳米颗粒存在SERS效应的推断

4．2 金属纳米颗粒二聚体太赫兹波段SERS增强的模拟分析

4．2．1 MATLAB编程仿真

4．2．2 仿真结果讨论

4．3 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢

附录