金纳米多聚体结构的fano共振和传感特性的理论研究

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1、金纳米多聚体结构的Fano共振和传感特性的理论研究TheoreticalstudyoftheFanoresonanceandsensingcharacteristicsofAunano-clusters专业：生物医学工程研究生：张湾湾指导教师：冯远明教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一五年十二月摘要随着计算机技术、纳米光刻技术的发展，金属纳米粒子多聚体特有的表面等离激元表现出很大的优越性，当入射光的频率与金属纳米结构相匹配时，结构中蕴含的光子能量被大幅度吸收，发生局域表面等离激元共振。特别是金和银等贵金属，由它们组成的纳米粒子结构产生的局域表面

2、等离激元共振效应较强，形成的Fano共振能够降低能量损耗，得到较高的电场，与Fano共振相关的结构可调性、传感特性等也表现出很大的应用潜力。本文设计了三种不同的纳米粒子多聚体，研究了每个结构的Fano共振特性以及在传感、表面增强拉曼散射等方面的应用。本文的研究内容主要包括以下三部分：1、设计了由不对称劈裂环组成的七聚体，研究了消光光谱中多个Fano共振的产生原理，分析了Fano共振随劈裂环不对称程度改变的变化。利用对巯基苯胺作为检测分子，研究了结构对表面检测分子大小、环境变化的灵敏度。通过将中间纳米环向三个不同方向移动，以及将对巯基苯胺作为扰动分子，

3、讨论了结构本身及结构对扰动分子的鲁棒性，对研究劈裂环多聚体的各种性质有指导意义。2、由纳米棒或纳米球等组成的多聚体能够产生尖锐的Fano共振，本文设计了一种由完全相同的两个单层纳米棒组成的双层耦合等离子系统，发现两层结构之间的耦合能够形成更复杂的Fano共振，用哈密顿算子对两层之间的相互作用过程进行了推导，通过调节结构参数讨论了结构的可调性，研究了移动下层纳米棒结构对Fano共振的影响，扩展了它在位移传感方面的应用。3、研究了纳米领结形四聚体结构的透射光谱中Fano共振的原理，讨论了圆极化光、不同角度的线极化光、不同入射方向，对Fano共振及电场增强

4、的影响，确定了该结构获得较大的电场强度的入射光条件和半径参数。通过引入两种不同的三角形孔，研究了结构对称性改变对Fano共振的影响，分析了结构对三角形孔折射率变化的灵敏度。讨论了光谱对结构成分位移变化的灵敏度，拓展了领结形四聚体结构的应用范围。本文的研究成果对金纳米多聚体结构光学特性的研究提供了理论分析依据，拓宽了多聚体结构的应用范围。关键词：多聚体表面等离激元Fano共振灵敏度可调性ABSTRACTWiththedevelopmentofthecomputerandlithographytechnology,thetypicalsurfacepla

5、smonofmetalnanoparticlesclustershowsgreatsuperiority.Nanostructureswillproducehighabsorptiontothephotonenergyandgeneratelocalsurfaceplasmonresonance(LSPR)whenthefrequencyoftheincidentlightmatchestheirs.Inparticular,noblemetalsuchasAuandAgcanproducestrongLSPR,formingtheFanoreson

6、ance.Fanoresonancecanreducetheenergylossandobtainhighelectricfield.ThetunabilityandsensingcharacteristicrelatedtotheFanoresonancealsoshowgreatpotentialforapplications.Thispaperdesignedthreedifferentnanoparticlesclusters,studiedtheirFanoresonanceandapplicationsinsensing,surfacee

7、nhancedRamanscattering(SERS).Theresearchworkconsistsofthefollowingthreeparts:1.Aheptamercomposedofasymmetricsplitnanoringswasdesigned.WeinvestigatedthemechanismofthemultipleFanoresonancesintheextinctionspectrumandanalyzedthevariationsoftheresonanceswiththechangeoftheasymmetricd

8、egreeofthenanorings.Thestructuralsensitivitiestothesur