本文關(guān)鍵詞：納米顆粒體系中光散射模式的耦合　出處：《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

  更多相關(guān)文章： 旋轉(zhuǎn)橢球 解析解 電介質(zhì)納米顆粒 定向散射 增益 核殼納米顆粒 虛無材料 等離激元隱身 標(biāo)度律 鈉團簇 光吸收

【摘要】：金屬表面自由電子的集體振蕩與入射電磁場耦合將形成表面等離激元,由于入射電磁場必須具有恰當(dāng)?shù)念l率來驅(qū)動自由電子產(chǎn)生共振,因此這種現(xiàn)象也被稱為表面等離激元共振。在金屬納米顆粒中,這種現(xiàn)象又被稱為局域表面等離激元共振。局域表面等離激元共振具有很多獨特的光學(xué)性質(zhì),包括共振波長容易被調(diào)節(jié)、大的散射和吸收截面以及很強的場局域和場增強。這些獨特的性質(zhì)使得它在傳感、生物醫(yī)療、太陽能以及超材料等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。然而,由于金屬在可見光區(qū)域存在高損耗,迄今為止只有很少一部分基于局域表面等離激元的應(yīng)用在實際中被實現(xiàn)。近期的研究發(fā)現(xiàn)高折射率電介質(zhì)納米顆粒也能產(chǎn)生很強的光學(xué)共振,包括電類型和磁類型的共振,而金屬納米顆粒只能產(chǎn)生電類型的共振。同時與金屬材料相比,電介質(zhì)材料在可見光區(qū)域的損耗非常小。這些優(yōu)點促使對高折射率電介質(zhì)納米顆粒光學(xué)共振的研究在近期受到廣泛的關(guān)注。本文研究了不同納米顆粒體系在入射光激發(fā)下所產(chǎn)生的光學(xué)響應(yīng)之間的耦合,具體來說可以總結(jié)成以下幾個方面:1.旋轉(zhuǎn)橢球顆粒體系電磁散射問題的解析解。在處理旋轉(zhuǎn)橢球顆粒體系的電磁散射問題時,我們將空間電磁場展開成旋轉(zhuǎn)橢球矢量波函數(shù)的無窮級數(shù)形式,利用旋轉(zhuǎn)橢球表面電場和磁場矢量切向分量連續(xù)的邊界條件,結(jié)合矢量波函數(shù)在不同坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系,就能得到一組包含待定場展開系數(shù)的線性方程組,求解該線性方程組,就可以確定空間各點的電場和磁場。根據(jù)這套理論我們編寫了相應(yīng)程序,能夠計算任意排列的旋轉(zhuǎn)橢球或球形顆粒體系對平面波的散射,并給出近場和遠(yuǎn)場的相關(guān)信息。經(jīng)過優(yōu)化后,與有限時域差分等數(shù)值方法相比,我們的程序更加快速并且可以提供更為精確的結(jié)果,但所需的計算資源卻更少。2.中等折射率電介質(zhì)納米顆粒中的定向散射與實驗驗證。我們發(fā)現(xiàn)在折射率大于3.0的高折射率電介質(zhì)納米球中,電偶極共振和磁偶極共振在譜線上互相分離,因此在顆�？偵⑸浞逄師o法產(chǎn)生有效耦合;而在折射率介于1.7-3.0之間的中等折射率電介質(zhì)納米球中,電偶極共振與磁偶極共振在可見光和近紅外區(qū)域發(fā)生重疊,因此在總散射峰處能產(chǎn)生有效耦合,從而導(dǎo)致定向光散射現(xiàn)象。與高折射率電介質(zhì)納米球相比,中等折射率電介質(zhì)納米球更適合作為定向納米天線。在實驗上我們選擇Cu20材料(折射率實部約為2.7)制成的納米球驗證了中等折射率電介質(zhì)納米球所具有的定向散射特性,并且實驗與理論之間符合的很好。3.帶有增益的電介質(zhì)納米顆粒中的反常散射。對于由無損或有損電介質(zhì)材料制成的納米球,其電偶極響應(yīng)與磁偶極響應(yīng)在前向方向無法實現(xiàn)完全干涉相消,因此前向散射不能削減到零。我們發(fā)現(xiàn)通過在電介質(zhì)納米球中引入適當(dāng)增益,在特定波長下,顆粒的電偶極響應(yīng)和磁偶極響應(yīng)在前向方向能夠?qū)崿F(xiàn)完全干涉相消。當(dāng)四極項和更高階項的貢獻可以忽略時,零前向散射就能實現(xiàn),同時背向散射將得到增強,而當(dāng)四極項具有和偶極項相同的數(shù)量級時,二者之間的耦合會導(dǎo)致散射極小與極大分別偏離前向與背向方向。4.對電磁虛無納米球的優(yōu)化設(shè)計。虛無材料是一種相對介電常數(shù)與磁導(dǎo)率同時趨向于0但阻抗為1的特殊材料,它具有很多新奇的電磁性質(zhì),因此受到廣泛的關(guān)注。由于虛無材料在自然界并不存在,需要通過人工制備結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。我們發(fā)現(xiàn)利用互補的電單負(fù)和磁單負(fù)材料構(gòu)成的核殼混合納米球,能夠在較寬的頻率范圍內(nèi)給出對完美虛無納米球散射性質(zhì)的最優(yōu)近似,我們設(shè)計的核殼混合納米球具有和完美虛無納米球完全相同的散射電磁場分布。5.電介質(zhì)納米顆粒等離激元隱身中的標(biāo)度律。通過在電介質(zhì)納米球表面包裹一層具有特定厚度的等離激元材料,顆粒的總散射可以被顯著削弱,從而實現(xiàn)隱身。存在兩類不同的等離激元材料能實現(xiàn)隱身,一類具有正的介電常數(shù),另一類具有負(fù)的介電常數(shù)。我們發(fā)現(xiàn)與負(fù)介電常數(shù)材料相比,正介電常數(shù)材料更適合在較寬的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)電介質(zhì)納米顆粒的等離激元隱身。我們提出了兩種不同的標(biāo)度律來描述電介質(zhì)納米球被這兩類材料包裹時最優(yōu)相對包裹厚度隨尺寸參數(shù)(反比于入射波長)的變化關(guān)系,并且發(fā)現(xiàn)這兩種標(biāo)度律行為上的差異來源于顆粒內(nèi)部電極化矢量分布情況的不同。6.鈉原子團簇的光吸收性質(zhì)。針對包含不同數(shù)量鈉原子的鈉團簇,我們提出了一個統(tǒng)一的理論來描述它們的光吸收性質(zhì)。我們將鈉原子看成均勻的、各向同性的非磁性小球,將鈉團簇看成由許多鈉原子按照一定空間結(jié)構(gòu)排列而成的多聚體,進而利用經(jīng)典電磁理論計算得到了鈉團簇的光吸收譜。通過與實驗吸收譜的對比,我們發(fā)現(xiàn)理論與實驗結(jié)果在主要吸收峰的位置上對應(yīng)的很好。該研究表明至少對于鈉團簇體系,經(jīng)典電磁理論在原子尺度以上仍具有一定的適用性。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TB383.1;O436.2

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 Richard Hogg;張保民;;顆粒體系的科學(xué)和技術(shù)[J];地質(zhì)科學(xué)譯叢;1990年01期

2 辛海麗;孫其誠;劉建國;金峰;;剛性塊體壓入顆粒體系時的受力及力鏈演變[J];巖土力學(xué);2009年S1期

3 趙永志;張憲旗;劉延雷;鄭津洋;;滾筒內(nèi)非等粒徑二元顆粒體系增混機理研究[J];物理學(xué)報;2009年12期

4 高紅利;趙永志;劉格思;陳友川;鄭津洋;;阻尼對水平滾筒內(nèi)二元顆粒體系徑向分離模式形成的影響[J];物理學(xué)報;2011年07期

5 張國華;孫其誠;黃芳芳;金峰;;摩擦顆粒體系各向同性壓縮過程中的堵塞行為[J];物理學(xué)報;2011年12期

6 黃德財;馮耀東;解為梅;陸明;吳海平;胡鳳蘭;鄧開明;;顆粒密度對旋轉(zhuǎn)筒內(nèi)二元顆粒體系分離的影響[J];物理學(xué)報;2012年12期

7 孫其誠;金峰;王光謙;;封面圖片說明[J];力學(xué)與實踐;2010年01期

8 孫其誠;金峰;王光謙;張國華;;二維顆粒體系單軸壓縮形成的力鏈結(jié)構(gòu)[J];物理學(xué)報;2010年01期

9 張祺;李寅閶;劉銳;蔣亦民;厚美瑛;;直剪顆粒體系聲波探測[J];物理學(xué)報;2012年23期

10 馮旭;張國華;孫其誠;;顆粒尺寸分散度對顆粒體系力學(xué)和幾何結(jié)構(gòu)特性的影響[J];物理學(xué)報;2013年18期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 陳凡秀;張慧新;孔亮;;顆粒體系變形與力鏈的試驗研究[A];中國力學(xué)大會——2013論文摘要集[C];2013年

2 辛海麗;孫其誠;劉建國;金峰;;剛性塊體壓入顆粒體系時的受力及力鏈演變[A];中國力學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)大會'2009論文摘要集[C];2009年

3 劉銳;;振動流化顆粒體系的類毛細(xì)現(xiàn)象[A];第七屆全國液體和軟物質(zhì)物理學(xué)術(shù)會議程序冊及論文摘要集[C];2010年

4 費明龍;孫其誠;宋世雄;周公旦;;基于顆粒體系熱力學(xué)的平面剪切破壞數(shù)值模擬[A];中國力學(xué)大會——2013論文摘要集[C];2013年

5 張興;隆正文;胡林;;顆粒體系中力分布的標(biāo)量力網(wǎng)系綜模型[A];中國力學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)大會'2009論文摘要集[C];2009年

6 姜澤輝;韓紅;;器壁摩擦力對受振顆粒體系中倍周期分岔過程的影響[A];第七屆全國液體和軟物質(zhì)物理學(xué)術(shù)會議程序冊及論文摘要集[C];2010年

7 張興剛;胡林;;靜態(tài)顆粒體系力分布的系綜理論[A];第七屆全國液體和軟物質(zhì)物理學(xué)術(shù)會議程序冊及論文摘要集[C];2010年

8 陳友川;趙永志;崔澤群;鄭津洋;;基于超二次曲面的非球形離散單元模型研究[A];顆粒材料計算力學(xué)研究進展[C];2012年

9 陳友川;趙永志;鄭津洋;;沙粒流團聚現(xiàn)象的計算顆粒力學(xué)模擬研究[A];中國顆粒學(xué)會第七屆學(xué)術(shù)年會暨海峽兩岸顆粒技術(shù)研討會論文集[C];2010年

10 金峰;孫其誠;;顆粒體系結(jié)構(gòu)及其破壞機制[A];中國力學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)大會'2009論文摘要集[C];2009年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 陳一杰;基于二氧化硅納米材料的siRNA遞送系統(tǒng)的構(gòu)建及其在腫瘤治療中的應(yīng)用研究[D];上海交通大學(xué);2015年

2 解亞明;納米顆粒體系中光散射模式的耦合[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2017年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前7條

1 任杰驥;顆粒體系電阻值對壓應(yīng)力的響應(yīng)特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

2 張威;二維雙分散顆粒體系堵塞態(tài)性質(zhì)的研究[D];貴州大學(xué);2016年

3 莊琦;二維顆粒體系力鏈識別及其重構(gòu)分析[D];青島理工大學(xué);2016年

4 張興剛;靜態(tài)顆粒體系統(tǒng)計理論的研究[D];貴州大學(xué);2009年

5 陳友川;基于超二次曲面的離散單元接觸模型研究[D];浙江大學(xué);2012年

6 張慧新;鋼珠顆粒體系受集中力時的力鏈研究[D];青島理工大學(xué);2014年

7 王雪;基于多尺度的細(xì)長金屬管藥劑夯實模型的研究[D];重慶大學(xué);2014年

，

本文編號：1312129