【摘要】：金屬納米結(jié)構(gòu)提供了控制納米級光的可能性,大多數(shù)可能的應(yīng)用,如納米天線、納米級波導(dǎo)和超材料,這些應(yīng)用都是基于納米結(jié)構(gòu)局域強電磁場的能力。金屬表面等離激元共振是納米顆粒中傳導(dǎo)電子的集體振蕩,它可以大大增強局部電磁場。但是,目前對于等離激元的研究,大多數(shù)都是采用數(shù)值仿真的方法進行研究的,這種方法作為一種數(shù)值實驗的手段,但是無法解析地給出具體各參量之間的聯(lián)系,如幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)與共振頻率之間的相互關(guān)系等。本文我們圍繞等離激元共振的主題,介紹了等離激元及其共振的基本性質(zhì),根據(jù)等離激元共振頻率會隨納米結(jié)構(gòu)的形狀,幾何尺寸和周圍介質(zhì)的變化而發(fā)生顯著變化的性質(zhì),很容易地將它們用含有電阻,電感和電容(RLC)元件形式的集總電路來等效建模。具有分布式電感和電容元件的電路可以捕獲麥克斯韋方程中的大部分物理量,該電路模型提供了很好的解決方案,并可以揭示可能隱藏在精確分析解決方案中的物理。本文首先詳細(xì)介紹了矩形金屬納米棒等離激元的“電路化”過程,在光激發(fā)下,金屬納米結(jié)構(gòu)表面上積累電荷而產(chǎn)生電勢能;同時電子運動的動能可以通過動態(tài)電感產(chǎn)生;而電流的運動產(chǎn)生磁場,可以用法拉第電感表示。在準(zhǔn)靜態(tài)下,結(jié)合歐姆定律,我們分析得到了能夠描述其共振頻率特性的解析方程。我們還利用微波工作室建立模型,進行了數(shù)值模擬仿真。將數(shù)值仿真的結(jié)果和我們分析結(jié)果進行了比較,發(fā)現(xiàn)它們可以匹配的很好,說明了我們理論的準(zhǔn)確性和電路模型的有效性。隨后,我們將模型擴展到L形納米棒。雖然L形納米棒等離激元共振已被解決,但與我們的解釋不同。盡管數(shù)值有細(xì)微的差別,但只有電容和電感略有改變,矩形納米棒等離子體共振的主要特征可以很好地保持,并且我們還測試了具有不同尺寸,形狀和外圍介質(zhì)的矩形納米諧振器,進一步證明了我們推導(dǎo)的表達(dá)式的有效性。其次,我們將前面的理論推導(dǎo)推廣到單層結(jié)構(gòu)化石墨烯上,由于石墨烯具有類金屬性,所以單層納米結(jié)構(gòu)石墨烯依然可以方便地通過電感(L)和電容(C)形式的集總電路元件進行類比。在準(zhǔn)靜態(tài)下,結(jié)合歐姆定律,我們分析得到了單層結(jié)構(gòu)化石墨烯等離激元共振頻率的解析表達(dá)公式。我們對其進行了數(shù)值模擬仿真,并將數(shù)值仿真的結(jié)果和我們分析得到的結(jié)果進行了對比分析,發(fā)現(xiàn)它們具有很高的匹配度,進一步說明了我們理論的準(zhǔn)確性和電路模型的有效性。通過該公式能夠精確地判斷出石墨烯等離激元共振頻率隨著周圍介質(zhì)、它自身幾何尺寸和費米能量的變化情況,這為石墨烯等離激元諧振器的調(diào)制提供了方便。最后,利用等離激元共振耦合和局部磁場增強的特性,我們設(shè)計了一種磁場均勻增強的分段式近場光學(xué)天線。該天線主要由基底和金屬結(jié)構(gòu)兩部分組成,基底材料我們使用的是MgF_2,金屬結(jié)構(gòu)由內(nèi)外兩個腔組成,且每個腔臂都是分段式的,分段式可以實現(xiàn)內(nèi)外腔的反向能流運動,以實現(xiàn)內(nèi)腔區(qū)域內(nèi)磁場的均勻增強。
【圖文】：

圖 1-1（a）局域表面等離激元共振;（b）傳導(dǎo)表面等離激元共振等離激元數(shù)值計算方法離激元主要表述的是納米粒子對電磁場的響應(yīng)，，等離激元和納米粒子與電射問題密切相關(guān)，所以納米粒子散射和吸收的理論研究可以歸結(jié)為在某些

形金屬納米棒的結(jié)構(gòu)圖;（b）等效電路圖;（c）電場分布圖;（作用下，矩形金屬納米棒中的電子受到擾動，使納米棒，就會產(chǎn)生強的靜電恢復(fù)力，使納米棒內(nèi)部的電荷發(fā)生生電流，并伴有感應(yīng)磁場。該磁場可以用法拉第電感來
【學(xué)位授予單位】：河南師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.1;TN820

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本文編號：2688992