納米微球-薄膜金屬結(jié)構(gòu)表面拉曼散射電磁增強(qiáng)數(shù)值模擬初步研究.pdf

1、隨著激光的發(fā)現(xiàn)、微弱信號(hào)探測(cè)技術(shù)的提高和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，拉曼光譜檢測(cè)技術(shù)在很多領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了迅猛的發(fā)展。已發(fā)展的有傅里葉變換拉曼光譜技術(shù)、激光共振拉曼光譜技術(shù)、共焦顯微拉曼光譜技術(shù)、高溫拉曼光譜技術(shù)、固體光聲拉曼光譜技術(shù)以及表面增強(qiáng)拉曼散射光譜技術(shù)等。其中，表面增強(qiáng)拉曼散射光譜檢測(cè)技術(shù)作為一種最有效的增強(qiáng)拉曼檢測(cè)信號(hào)的手段引起了人們極大的關(guān)注，高靈敏度使得這種檢測(cè)技術(shù)在材料、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等應(yīng)用領(lǐng)域都具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。
　　

2、 本文圍繞對(duì)表面增強(qiáng)拉曼散射中的關(guān)鍵問(wèn)題一金屬納米結(jié)構(gòu)在電磁場(chǎng)激勵(lì)下的近場(chǎng)電磁增強(qiáng)效應(yīng)的數(shù)值模擬展開(kāi)，旨在從理論上認(rèn)識(shí)表面增強(qiáng)拉曼散射現(xiàn)象中的電磁增強(qiáng)效應(yīng)機(jī)理，同時(shí)也為實(shí)驗(yàn)中能夠獲得更為顯著的表面增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng)提供理論依據(jù)。
　　 本論文內(nèi)容主要分為四個(gè)部分：
　　 一、利用處理色散介質(zhì)的時(shí)域有限差分(FDTD)方程來(lái)模擬金屬納米結(jié)構(gòu)與電磁場(chǎng)的相互作用問(wèn)題：描述金屬自由電子的模型-Drude模型引入金屬介質(zhì)中的Max

3、well方程，得出金屬色散介質(zhì)中的時(shí)域有限差分方程：利用多層介質(zhì)系統(tǒng)中的入射波設(shè)置方法-等效入射波法來(lái)解決近場(chǎng)散射中隱失波作為激勵(lì)源的入射場(chǎng)設(shè)置問(wèn)題。得出了完整的可以模擬具有任意形狀的金屬納米結(jié)構(gòu)與電磁場(chǎng)相互作用的時(shí)域有限差分方程，并在此基礎(chǔ)上自己編寫(xiě)了程序，且對(duì)其有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　 二、利用我們自己編寫(xiě)的程序?qū)Σ煌Y(jié)構(gòu)的金屬納米結(jié)構(gòu)在不同激勵(lì)下產(chǎn)生的近場(chǎng)增強(qiáng)分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。利用推導(dǎo)得出的金屬中的時(shí)域有限差分方程-(F

4、D)2TD模擬了單個(gè)三角形銀粒子、雙球形銀粒子以及銀球多粒子聚集體在平面波和隱失場(chǎng)激勵(lì)下的近場(chǎng)增強(qiáng)分布，結(jié)合金屬介質(zhì)中的電子自由程、介電常數(shù)、等離子體頻率等物理參量，對(duì)不同的金屬納米結(jié)構(gòu)在外部激勵(lì)場(chǎng)下產(chǎn)生的“熱點(diǎn)”中的近場(chǎng)增強(qiáng)因子與該結(jié)構(gòu)形狀之間的依賴關(guān)系進(jìn)行了解釋，從而分析了金屬納米結(jié)構(gòu)的表面增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng)中的電磁增強(qiáng)效應(yīng)。
　　 數(shù)值模擬結(jié)果表明，金屬納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)屬性、形狀、大小、聚集程度以及粒子聚集體的排列方向與激勵(lì)波

5、的偏振方向之間的關(guān)系都直接影響著表面增強(qiáng)拉曼散射實(shí)驗(yàn)中樣品拉曼信號(hào)的強(qiáng)度。利用雙球形銀粒子以及銀球多粒子系統(tǒng)在平面波激勵(lì)下產(chǎn)生的近場(chǎng)增強(qiáng)分布的數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)Nie等人在單分子拉曼信號(hào)探測(cè)實(shí)驗(yàn)中遺留的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了分析，也為實(shí)驗(yàn)中選擇可以獲得更大的局域電場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)的金屬納米結(jié)構(gòu)可提供參考。
　　 三、為吳世法教授的超高靈敏近場(chǎng)表面增強(qiáng)拉曼散射樣品池發(fā)明專利概念設(shè)計(jì)進(jìn)行了模擬研究，在這個(gè)思路的指引下對(duì)由雙層銀膜和位于其間的雙球形銀

6、粒子組成的樣品池模型在隱失波和平面波激勵(lì)下所產(chǎn)生的近場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)進(jìn)行了最佳條件的數(shù)值模擬研究。我們的數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在這這種金屬納米結(jié)構(gòu)中不僅可以產(chǎn)生常規(guī)的“熱點(diǎn)”，而且由于電子回路的形成，還產(chǎn)生了一種“非常規(guī)熱點(diǎn)”。由于在專利樣品池中“熱點(diǎn)”數(shù)目的增多，據(jù)此可以在很大程度上提高拉曼探測(cè)信號(hào)的靈敏度。在文中我們還通過(guò)對(duì)樣品池模型中的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行變化模擬，完成了優(yōu)化設(shè)計(jì)。該樣品池的制作和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證已在本課題組中基本完成。
　　

7、四、金屬表面增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng)的另一個(gè)重要的應(yīng)用就是鍍金屬膜的探針尖，其尖端的局域場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)使得納米光纖探針在很多領(lǐng)域中可得到廣泛應(yīng)用，如超高密度光存儲(chǔ)、表面修復(fù)、多光子分子的熒光光譜以及實(shí)現(xiàn)光鑷的納米分辨等。其中一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，那就是在探針尖端必須能夠得到足夠的場(chǎng)增強(qiáng)。本文對(duì)鍍金屬膜的全反射四棱錐形探針尖在底部照射方式下產(chǎn)生的近場(chǎng)增強(qiáng)分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明：這種形狀的探針在其尖端不僅能獲得納米尺度的聚焦光斑，且光斑的強(qiáng)度也得到了顯著