纳米结构表面场增强技术的研究

摘要

基于非线性拉曼散射的拉曼光谱技术在化学、食品安全、生物、医学、海关、国防以及环境等领域具有广泛而重要的应用价值。但由于拉曼散射是一种三阶非线性光学效应，所产生的散射信号通常非常微弱，使其探测非常困难和复杂。近年来，随着纳米技术的发展，采用纳米结构的表面增强拉曼散射(Surfaceenhancement Raman scattering，SERS)技术可以使拉曼信号放大若干量级，为拉曼光谱技术的低成本、小型化、便携化和普及化奠定了基础，成为近年来光谱检测技术领域的一个研究热点，具有重要的研究意义和实际价值。
　　SERS技术是功能强大的振动光谱技术，可以通过局域表面等离子体(LSPs)的激发对局域电磁场的放大实现低浓度物质的高敏感检测。但目前较多使用的结构是采用蒸镀技术制作的纳米球芯片，其均匀性差，热点分布随机。采用电子束刻蚀和纳米加工技术制作特定结构的大面积均匀增强芯片是当前SERS技术的一个重要发展方向。本文从可控纳米结构的角度出发，首先在金属与电介质分界面上研究了表面等离子体的激发，提出了一种可用于制作SERS增强芯片的金属纳米结构模型，具有简单的平面结构且易于制造的特点。然后在详细介绍了时域有限差分(FDTD)算法基本内容的基础上，分别对纳米球结构、纳米盘结构和纳米块状结构的表面场增强特性用FDTD算法进行了数值仿真研究。仿真结果表明本文所提出的纳米块状结构具有较高的SERS增强因子，峰值可达108量级，并且可以在较大面积上实现较高的平均增强效果，且能控制热点在基底上的分布状况，克服了传统SERS增强基底的一些缺陷，可以利用先进纳米制造技术来实现，在表面增强光谱和传感等方面有很大的应用前景。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 表面等离子体激元技术的发展与现状

1．2 表面增强拉曼散射技术的发展与现状

1．3 纳米加工技术

1．3．1 电子束光刻

1．3．2 纳米压印

1．4 论文研究内容及章节安排

2 基本理论

2．1 表面等离子体激元

2．1．1 表面等离子体激元的基本概念

2．1．2 表面等离子体激元的色散特性

2．1．3 表面等离子体激元的特征长度

2．1．4 局域表面等离子体

2．2 表面增强拉曼散射

2．3 金属的Drude模型

2．4 小结

3 数值计算方法

3．1 时域有限差分方法的基本原理

3．1．1 二维FDTD算法

3．1．2 三维FDTD算法

3．2 数值稳定性与数值色散

3．2．1 标量波动方程差分算法的稳定性分析

3．2．2 二维FDTD算法的数值稳定性

3．2．3 三维FDTD算法的数值稳定性

3．2．4 数值色散

3．3 吸收边界条件

3．3．1 Mur吸收边界条件

3．3．2 完全匹配层

3．4 常用的激励源

3．5 小结

4 结构设计和仿真

4．1 仿真工具

4．2 金属纳米结构的设计

4．2．1 纳米球结构

4．2．2 纳米盘结构

4．2．3 块状结构

4．3 金属纳米结构的仿真结果和优化

4．3．1 纳米球结构

4．3．2 纳米盘结构

4．3．3 块状结构

4．4 小结

5 总结与展望

参考文献

作者简历

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