贵金属纳米颗粒电磁场仿真分析ppt课件

1、贵金属纳米颗粒电磁场仿真分析周伟 2021.11.16 LSPRLocalized Surface Plasmon Resonance, LSPR纳米传感器的传感机理与SPRSurface Plasmon Resonance, SPR传感器有一定的类似性，LSPR传感器可以看作是SPR传感器的拓展和延续。前者的外表等离子体共振发生在金属纳米颗粒部分，后者的共振发生在延续金属薄膜外表；然而，发生在纳米颗粒部分的共振表现出的光学特性与SPR不同，在传感领域具有很大的运用潜力，因此得到了广泛研讨。贵金属如金、银纳米粒子，在紫外可见光区域表现出独特的光学呼应，有强吸收作用。特性特性SPRLSPR无标志

2、检测无标志检测可以可以78,80,89,100可以可以22,38,46,57间隔影响间隔影响1000nm7930nm尺寸可调尺寸可调31,32折射率灵敏度折射率灵敏度2106nm/RIU77,79,81,972102nm/RIU31,46方式方式角位差角位差94，波长差，成像，波长差，成像消光消光22，散射，散射39, 57，成像，成像39, 57温控要求温控要求需求需求不需求不需求化学问别化学问别SPR-RamanLSPR-SERS场移植场移植不可以不可以可以可以商业运用商业运用开场开场尚未尚未造价造价$150,000-$300,000$5,000多粒子，多粒子，$50,000单粒子单粒子空

3、间分辨率空间分辨率1010m95,1011个纳米粒子个纳米粒子39, 57,96非特定约束非特定约束最小取决于外表化学成分和清洗最小取决于外表化学成分和清洗77,97,98,100,102最小取决于外表化学成分和清洗最小取决于外表化学成分和清洗22实时丈量实时丈量时间范围时间范围=10-1-103s，平面分散，平面分散 77,80,98,99,103时间范围时间范围=10-1-103s，幅射分散，幅射分散57多通道才干多通道才干可以可以93,104可以并有研发潜力可以并有研发潜力小分子灵敏性小分子灵敏性好好77更好更好31微流体兼容性微流体兼容性有有有研发潜力有研发潜力影响LSPR景象的要素

4、纳米颗粒的大小 纳米颗粒的外形 纳米颗粒的材质金，银，合金等 颗粒外表的介质环境 多个颗粒之间的陈列间距 温度的影响很小，可以以为在某一温度段内忽略温度的影响电磁学仿真分析的数学方法 最根本的实际模型：离散数学和电磁学 麦克斯韦方程组详细仿真方法 离散偶极近似DDA 时域有限差分FDTD 严厉耦合波实际(Rigorous Coupled-Wave Analysis，简称RCWA) T矩阵法T-matrix method 有限元法FEMProperties and Applications of Colloidal NonsphericalNoble Metal Nanoparticles离散偶

5、极近似DDA DDA算法就是将纳米颗粒分解为N个小的立方单元，每个立方单元看做一个电偶极子，计算每个电偶极子与磁场的相互作用，计算出消光矢量，然后利用矩阵计算算出整个纳米颗粒的消光系数。 仿真软件为：DDSCATDDSCAT, a Fortran code for calculating scattering and absorption of light by irregular particles, has been jointly developed by Bruce T. Draine (Dept. of Astrophysical Sciences, Princeton Univer

6、sity) and Piotr J. Flatau (Scripps Institution of Oceanography, University of California San Diego). The current version is DDSCAT 7.1 DDA 为计算恣意大小及外形的纳米颗粒的光学性质，DDA算法首先将该颗粒视为N个立方单元构成的集合体，再把每个立方单元视为电偶极子来处置。任一个电偶极子与局域场的相互作用表示为: 1式中j为点偶极子极化率；Einc,j是入射光电场在偶极子j处产生的电场，可表示为:kj()j kjkji n c , jPEAPinc, j0=ex

7、p()jEEii tk r其中E0为入射光电场的振幅，k为波矢。DDA 1式中表示偶极子k在偶极子j处产生的电场： 代入1式得到一个N阶的非齐次线性方程： 2322exp13 () ; jkjkjkkjkjkkjkjkjkjkkjkjkkjkikrikrkrrrjkAPrrPPrrPrrr1jjjA,1 (j=1,.,N)NjkkincjkEAPDDA 假设知单个偶极子的极化矢量Pj，那么整个颗粒的消光截面为 其中aeff为纳米颗粒的有效半径。*2,14Im()Nextinc jjjinckCEPE2extexteffCQa仿真结果： 半径皆为10nm的金、银纳米球在真空中的光谱吸收半径为20

8、nm的银球在不同介质中的消光曲线0.340.360.380.400.420.440.460.480.500.52012345678extinction(a.u)wavelength(um) Q_ext(a.u)(1.33) Q_ext(a.u)(1.36) Q_ext(a.u)(1.42) Q_ext(a.u)(1.51)Ag nanosphere with the radius of 20nmin different mediums1.361.441.520.400.410.420.430.44 peak point linear fit of wavelengthpeakrefractiv

9、e index(n)吸收峰= 0.21668+ 0.14367n。20nm的金球在不同折射率的环境中的消光曲线0.440.460.480.500.520.540.560.580.600.620.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.0extinction(a.u)wavelength(um) Q_ext(1.33) Q_ext(1.36) Q_ext(1.42) Q_ext(1.51)1.361.441.520.5200.5250.5300.535peakrefractive index peak Linear Fit of peak吸收峰=0.4397

10、3+ 0.06161n。 金包银3004005006007008000.00.20.40.60.81.01.21.4Silver(R=5nm)Gold (R=10nm)Coreshell(R1=10nm,R2=5nm)Extinction efficiencyWavelength(nm)(a)银包金300400500600700800-0.50.00.51.01.52.02.53.03.54.0Extinction Efficency Wavelength(nm) Coreshell(R1=10nm,R2=5nm) Silver(R=10nm) Gold(R=5nm)(b)结论 贵金属纳米颗粒

11、的LSPR景象与纳米颗粒的材质以及纳米颗粒的大小及周围环境的介电常数有关。我们仿真了同等大小的金，银以及金银核-壳构造的纳米颗粒在不同介质中的LSPR消光特性曲线的变化情况。结果阐明，纳米颗粒的LSPR吸收峰波长都与环境介质的折射率成线性关系。在同等大小的情况下，金银核-壳构造的折射率灵敏度大于银纳米颗粒的灵敏度；而银纳米颗粒的灵敏度大于金纳米颗粒的灵敏度。由于银纳米颗粒容易被空气中的氧气氧化，化学性质不够稳定，因此只能在某些惰性溶液中运用。假设采取适当工艺在银纳米颗粒外表镀一层金膜，构成银核-金壳构造，这样不仅可以提高纳米颗粒的化学稳定性，而且可以提高其灵敏度。FDTDFDTD方法最早是由K

12、aneS.Yee在1966年提出的，用变量离散的，含有有限个未知数的差分方程近似的替代延续变量的微分方程。FDTD是将延续的空间划分为一个个的Yee元胞，以Yee元胞为空间电磁场离散单元，将麦克斯韦旋度方程转化为差分方程，结合计算机技术处理电磁学问题。XFDTD6.3.8.4是Remcom公司开发的基于FDTD的电磁学仿真软件，可以运用于分析贵金属纳米颗粒的LSPR景象。此软件可以很方便的进展可视化建模，有别于DDSCAT中采用的是真实的资料折射率，XFDTD需求用Debye模型或者Lorentz模型来模拟金属在不同频率下的介电常数，从而带来了误差。而且对于在延续光谱下的消光问题，需求将入射光

13、源设置为高斯脉冲或者修正高斯脉冲来模拟一定波段光源的频谱，而结果经过傅里叶变换将时域的结果转化为频域的结果，优点是可以实时的仿真纳米颗粒与光作用的过程，可以很方便的输出纳米颗粒周围的电场分布图。综合运用两种方法的优势，用DDSCAT分析各种纳米颗粒在不同波段的光谱，用XFDTD分析在详细光谱下的纳米颗粒外表电场分布。 不同材质纳米颗粒的外表电场分布不同材质纳米颗粒的外表电场分布:半径为半径为30nm的银和二氧的银和二氧化硅化硅 (a) Silver (b) Silica图图2 不同材质纳米颗粒的外表电场分布不同材质纳米颗粒的外表电场分布a The incident light parallel to the axis (bThe incident light perpendicular to the axis图图7 d=10nm时两