论文部分内容阅读
金属表面等离子体共振(Surface Plasm on Resonance, SPR)是金属中自由电子的集体共振,它的性质受多方面因素影响,这其中包括金属自身结构的影响：金属薄膜表面的表面等离子体共振被称为表面等离子激元(Surface Plasmon Polarization, SPP);金属纳米颗粒表面的表面等离子体共振被称为局域表面等离子共振(Localized Lurface Plasmon Resonance, LSPR)。金属孔阵列中同时存在着表面等离子激元(SPP)和局域表面等离子共振(LSPR),其展现出了奇特的光学现象——反常光学透射(Extraordinary Optical Transmission, EOT)现象。然而有关反常光学透射(EOT)现象还没有得出一个完整清晰的物理机制,这是由于金属孔阵列中存在着复杂的表面等离子体特性,目前对于金属孔阵列中表面等离子体的认识还不够充分。同时金属孔阵列还在生物传感器等领域呈现出了许多潜在应用前景,拓展金属孔阵列结构潜在的应用领域是目前有关金属孔阵列的另一个研究方向。本论文采用时域有限差分(FDTD)技术研究了金属(Ag)纳米孔阵列中金属表面等离子体共振的基本特性,重点研究了金属矩形纳米孔阵列——研究了金属矩形纳米孔阵列以及双层金属矩形纳米孔阵列中金属表面等离子体共振的特性以及以此为基础的应用。应用金属纳米结构的表面等离子体效应来进一步的提高太阳能转换效率是目前太阳能电池的主要研究方向之一,本论文通过电磁场模拟仿真理论上研究了金属纳米颗粒局域表面等离子共振在染料敏化TiO2薄膜太阳能电池中的应用前景。论文具体内容如下：(1)概述了有关电磁场模拟的常用计算方法,具体介绍了本论文数值计算所采用的时域有限差分法(FDTD)的相关知识。(2)介绍了表面等离子激元和局域表面等离子共振的基本性质以及有关金属表面等离子体共振的研究历史；介绍了金属孔阵列的研究概况——介绍了反常光学透射(EOT)现象,EOT机制以及基于EOT的应用研究概况；介绍了基于金属表面等离子体的应用前景,重点介绍了超材料相关的知识和研究概况。(3)采用时域有限差分(FDTD)技术理论研究了金属纳米孔阵列的光学性质,重点研究了金属矩形纳米孔阵列以及双层金属矩形纳米孔阵列中金属表面等离子体共振的特性。(4)基于厚金属矩形纳米孔阵列中上下表面等离子激元间的耦合特性,采用时域有限差分(FDTD)技术研究了基于厚的单层金属矩形纳米孔阵列实现生物传感器的设计方案。(5)采用时域有限差分(FDTD)技术研究了基于厚的单层金属矩形纳米孔阵列实现光学磁性超材料的可能性,并通过调查金属矩形纳米孔阵列内的位移电流分布揭示了其磁性的起源。(6)采用FDTD Solutions软件通过粒子群优化算法(PSO)设计了近红外波段的基于双金属Ag-MgF2-Au渔网结构的低损耗光学磁性超材料。通过调查Ag-MgF2-Au双金属渔网结构中的电场强度分布和表面电荷分布,结合先前有关单层金属矩形纳米孔阵列和双层金属矩形纳米孔阵列中电场分布以及位移电流分布的研究揭示了其磁性的起源。(7)采用时域有限差分技术(FDTD)研究了金属纳米颗粒局域表面等离子共振对染料敏化TiO2薄膜太阳能电池光电转化效率的增强效应以及存在的金属纳米颗粒自身的寄生吸收问题。