纳米薄膜中的电磁波与原子团簇中的等离激元研究

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1、学校代号10532学号B1207S012分类号密级博士学位论文纳米薄膜中的电磁波与原子团簇中的等离激元研究学位申请人姓名薛红杰培养单位物理与微电子科学学院导师姓名及职称余亚斌教授学科专业物理学研究方向介观体系的输运性质论文提交日期2015年10月16日湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研巧所取得的研巧成果。除了文中特别加Ｗ标注引巧的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中Ｗ明

2、确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。Ｉ作者签名：曰期：２年义曰红东：ｄ／（＾月巧，｜学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留井向国家有关部口或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可Ｗ将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、缩印或扫描等复制手段保，可Ｗ采用影印存和汇编本学位论文。本学位论文属于１、保密□，在年解密盾适用本授权书。２、不保密凶／＂＂（

3、请在Ｗ上相应方框内巧Ｖ）；年３月作者签名：曰期如／《；１曰攝＾工才六｜导师签名：ｒ日期；诚年３月文日１Ｉ学校代号：10532学号：B1207S012密级：不保密湖南大学博士学位论文纳米薄膜中的电磁波与原子团簇中的等离激元研究学位申请人姓名：薛红杰导师姓名及职称：余亚斌教授培养单位：物理与微电子科学学院专业名称：物理学论文提交日期：2015年10月16日论文答辩日期：2015年12月18日答辩委员会主席：王玲玲教授Theresearchsontheelectromagneticwavesi

4、nnano-thinfilmsandtheplasmonsinatomicclustersbyXUEHongjieB.E.(ShanxiDatongUniversity)2008AdissertationsubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofDoctorofScienceinPhysicsintheGraduateSchoolofHunanUniversitySupervisorProfessorYUYabinDecember,

5、2015纳米薄膜中的电磁波与原子团簇中的等离激元研究摘要表面等离激元是光和金属表面电子相互作用形成的一种表面电磁模式，它的形成总是伴随着显著的消光特性、局域场增强特性和突破衍射极限特性，使其在纳米传感、生物成像以及光学隐身等现代科技中扮演着重要角色。目前，在原子团簇和纳米系统中，人们分别采用密度泛函理论和HydrodynamicalDrude模型研究表面等离激元。本论文中，一方面，我们利用基于量子理论获得的非局域电导率代替HydrodynamicalDrude模型，研究了非局域效应对金属薄膜光学性质的影响，这种

6、方法可以克服HydrodynamicalDrude模型在描述纳米系统输运特性方面的不足；另一方面，我们利用基于密度泛函理论和自洽线性响应近似推导出的等离激元本征方程代替密度泛函理论，研究了原子团簇中的等离激元，这种方法可以克服在使用密度泛函理论寻找等离基元模式时系统亦受外加电场影响而使一些模式不能被发现的局限性。具体来说，我们做了以下几方面的研究：（1）基于量子理论获得的非局域电导率，研究了S极化波入射下的空气-金属薄膜-空气结构中金属薄膜的光学性质。在吸收系数对频率和薄膜厚度的依赖性研究中，我们发现在没有等离

7、激元激发和电子散射的情况下，非局域响应理论仍然可以通过电子-空穴对的激发吸收能量，而局域响应理论却只能提供零吸收的结果。在电场和电流分布的研究中，我们发现，在两种响应理论下的电场分布相同时，表面区域的电流分布仍会出现非常明显的差异，这形象的反映了表面对系统性质的影响。在金属薄膜内平均能流密度分布的研究中，我们发现非局域响应理论下的能流密度显示出了奇异的振荡，而局域响应理论下的能流却没有振荡。进一步的研究显示，能流的奇异振荡源于电场在薄膜的一些区域对电流做负功。（2）众所周知，S极化波不能激发薄膜系统的等离激元，

8、但是P极化波可以。因而P极化波入射下的薄膜系统将有更加丰富和有意义的光学性质，这值得我们做进一步的研究。正因如此，我们接着研究了P极化波入射下石英-金属薄膜-空气结构中金属薄膜的光学性质。在吸收谱的研究中，表面等离激元的共振吸收峰被发现。通过吸收峰对金属薄膜厚度的依赖性研究，我们发现，随着金属薄膜厚度的减小，特别是在20nm以下，非局域效应对表面等离激元有非常明显的影响。在金属薄膜内平