银纳米球及其阵列LSPR现象仿真分析.doc

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1、银纳米球及其阵列LSPR现象仿真分析刘国华,孙辉,张维，王程，王育剑，徐凯，岳钊(南开大学信息技术科学学院，天津，300071)摘要：本文采用离散偶极近似（DDA:DiscreteDipoleApproximation）和时域有限差分（FDTD:FiniteDifferenceTimeDomain）方法对不同半径的银纳米球及其组合阵列的消光现象与耦合作用进行了分析讨论。用DDA方法得到了不同半径银纳米球及其阵列的消光光谱及其消光效率，吸收效率和散射效率等；在此基础上，利用FDTD方法研究了双纳米球阵列的耦合作用及其电场分布

2、；通过分析比较得到了一些关于纳米颗粒局域表面等离子体共振（LSPR：LocalizedSurfacePlasmonResonance）有意义的变化规律，并给出了它们的折射率灵敏度范围。同时对消光现象和耦合作用的物理机制也进行了分析，对金属纳米颗粒的应用研究具有参考意义。关键词：局域表面等离子体共振；离散偶极近似；时域有限差分；银纳米球SimulationandAnalysisofAgNanosphereandArray’sLSPRPhenomenaLiuGuohua,Sunhui,ZhangWei,WangCheng,Wa

3、ngyujian,Xukai,YueZhao(CollegeofInformationTechnicalScienceofNankaiUniversity,Tianjin,300071)Abstract：TheDiscreteDipoleApproximation(DDA)methodandtheFDTD(FiniteDifferenceTimeDomain)methodareusedforanalyzingdifferentradiusofsilvernanoparticlesandtheircouplesandthei

4、rarrays.DDAmethodisusedforsimulatingdifferentradiusandthearrayofsilvernanoparticles’extinctionspectraandextinctionefficiencyabsorptionefficiencyandthescatteringefficiency;FDTDmethodisusedforthecouplingoftwonanoparticlesandsimulatingtheiraroundelectricfielddistribu

5、tion;byanalyzingthese,wehavegottensomeimportantlawsofnanoparticles’LocalizedSurfacePlasmonResonance(LSPR)phenomenon.ItwillbeusedtostudyandproducetheLSPRbiosensors.Keyword：LocalizeSurfacePlasmonResonance，DiscreteDipoleApproximation，FiniteDifferenceTimeDomain，Agnano

6、particles1引言贵金属纳米颗粒（金、银等）在紫外-可见光区域存在很强的吸收光谱带，这是由于入射光子频率与金属传导电子的整体振荡发生共振，纳米颗粒或金属岛会对光子能量产生很强的吸收作用，这就是所谓的局域表面等离子体共振（LSPR）现象。吸收峰在光谱上的位置与纳米颗粒的大小、形状、间距及局域介电环境密切相关。这种现象在十八世纪法拉第研究胶体金时被发现[1]，目前基于LSPR现象的传感器被广泛研究，用于药物检测，生物检测、细胞标记、定点诊断、分子动力学研究及疾病诊断等方面。这种传感器具有无需标记、实时、无污染、高灵敏度检

7、测、所需的样液少等优点。1908年，Mie提出了解释LSPR现象的Mie理论[2]，Mie理论简单实用，能很好的解决球形纳米颗粒的消光（包括吸收和散射）问题，但是不能解决复杂形状的颗粒以及颗粒之间的互相耦合作用及基底对纳米颗粒消光特性的影响问题。为此，各种数值计算理论和方法相继产生，如有限元法(FEM:FiniteElementMethod)[3]，严格耦合波法(RCWA:RigorousCoupled-WaveAnalysis)[4]，离散偶极近似法(DDA:DiscreteDipoleApproximation)[5]

8、和时域有限差分法(FDTD:FiniteDifferenceTimeDomain)[6]等等。其中DDA和FDTD方法在分析LSPR现象中使用较多[7]，但多数只限于对某一种特例的分析；本文利用两种方法的优势互补，既分析了纳米颗粒的消光现象，也分析了纳米颗粒阵列的耦合作用。2DDA与FDTD方法的比较D