纳米金石墨烯复合材料的表面等离激元共振特性研究

纳米金/石墨烯复合材料的表面等离激元共振特性研究摘要纳米金因为其特定的表面等离激元特性使得其在有机光伏电池、医学、传感器等领域有了更为非常广泛的应用，但是纳米金的表面等离激元特性只和其尺寸大小和材料特性有关，如果想要改变纳米金的表面等离激元特性则需要付出及其之大的代价，而石墨烯这种材料却能起到主动调控的作用，因此在这里，我们通过三维时域有限差分法（FDTD）仿真来研究分析不同费米能级的石墨烯对纳米金表面等离激元共振特性的影响，研究结果表明当石墨烯费米能级从0.3ev变化到0.4ev，从0.4ev变化到0.5ev时，金纳米球的表面等离激元共振位置分别蓝移1nm、2.8nm，金纳米柱的表面等离激元共振位置分别蓝移了8.5nm、0.3nm，金纳米棒的表面等离激元共振位置分别蓝移了0.2nm、0.3nm。这些研究结果也为设计新型纳米金/石墨烯复合材料提供了理论基础。关键词：石墨烯纳米金表面等离激元FDTDABSTRACTBecauseofitsspecificsurfaceexcitonproperties,nano-goldhasbeenwidelyusedinorganicphotovoltaiccells,medicine,sensorsandsoon,butthesurfaceexcitonpropertiesofnano-goldareonlyrelatedtoitssizeandmaterialcharacteristics.Ifwewanttochangethesurfaceexcitonpropertiesofnano-gold,wewillpayagreatprice,andgraphenecanplayanactiveroleincontrollingit.So,westudyandanalyzetheeffectofgraphenewithdifferentFermilevelontheexcitonresonancecharacteristicsofnano-goldsurfacebymeansofthree-dimensionalfinitedifferencetimedomain(FDTD)simulation.TheresultsshowthatwhengrapheneWhentheFermilevelchangesfrom0.3evto0.4ev,from0.4to0.5ev,thesurfaceplasmonresonancepositionofthegoldnanospheresisshiftedblue1nm、2.8nm,thesurfaceplasmonresonancepositionofthegoldnanospheresisshiftedblue8.5nm、0.3nm,thesurfaceplasmonresonancepositionofthegoldnanorodsisshiftedblue0.2,respectivelytheseresultsalsoprovideatheoreticalbasisforthedesignofnovelnano-gold/graphenecomposites.Keywords:graphenenano-goldsurfaceplasmonFDTD1绪论1.1研究背景及意义金纳米粒子因为其良好的物理化学性能而在纳米技术中扮演了一个十分重要的角色，它的高电压性、导热性、简单的表面化学性、热稳定性、化学稳定性、以及在可见光下因表面等离激元共振而产生的大范围效应，即大的横截面消光，局部的电磁场放大都在纳米杂化中起到了很好的效果。而石墨烯则拥有比其他有机材料更高级的机械性能，恒定的吸收可忽略的放射系数的可见近红外光谱。因此金纳米粒子和石墨烯的结合是一种有着出色光电性能材料的实现。近些年，一些成就已经指导出了在不同程度结构复杂性的金纳米粒子和石墨烯的结合。获得纳米复合物的主要途径是石墨烯转移到预沉积的金属纳米粒子阵列上，在石墨烯上金属纳米粒子的直接原位置生长，已成形的金属纳米粒子和石墨烯的混合大多经过适当的表面功能化，通过相似的途径，利用石墨烯衍生物比如石墨烯氧化物实现了杂化的等离子体纳米结构。这些合成的纳米材料表现出了新的光学特性，从局部的电磁场放大到光学响应的调制。通过应用一个外部电势来调谐光学响应的能力已经被证明了，和非线性光学行为的改进一样。特别的，在杂化的石墨烯/等离子体系统中光电流的产生吸引了人们对从可见光到中红外部分的可调谐反应的光电探测器的实现的兴趣，从长远来看，可获得高效率的光伏器件。此外，等离子体光的散射和纳米复合物的最佳电导率的结合已经应用到增强有机光伏电池中光电流的产生。包含贵金属纳米粒子和石墨烯衍生物的复合材料已经为其可见光光催化反应做了对反对污染物和有毒分子的破坏的积极测试。在另一方面，等离子体和石墨烯吸收的协同效应已经利用来获得更高级的光热转化效率，以达到如癌症的光热治疗，光声成像，抗菌作用等各种目的。多重传感应用就是基于贵金属加上石墨烯的材料的表面等离子体共振，在DNA的检测中，生物分子甚至是气体中显示了显著的效果。给杂化等离子体共振传感器带来优越性能的原因之一就是石墨烯片作为金属纳米粒子间的隔膜，以粒子间等离子体的激元耦合来限制等离子体的加宽。大量的研究涉及贵金属石墨烯杂化物表面增强拉曼散射效应的放大。这已被应用于各种物质分析的超灵敏检测，以及获得关于石墨烯自身的详细信息，或者用于等离子体基底的局部增强。石墨烯及其衍生物的化学-物理稳定性被发现应用在等离子体基底的表面增强拉曼散射的稳定性上。对于容易在空气或液体环境中进行氧化和蚀刻的银纳米粒子来说，这一点尤其可取。在杂化的等离子体-石墨烯纳米结构中，与金属纳米粒子耦合后的石墨烯结构的表面等离子共振扮演了一个至关重要的角色。实际上，众所周知，表面等离子体共振对金属纳米粒子的组成、尺寸、形状、介电环境和界面化学都有很高的敏感性，可以引起放大或阻尼，因为等离子体响应对纳米器件光学性能的直接影响。另一方面，模拟这种纳米杂化物的等离子体性质可以为合成提供有用的指示，例如允许以紫外可见光谱法这种快速和容易的方式对产物进行原位监测[1]。目前来说，针对石墨烯和金纳米粒子复合材料的表面等离激元共振的研究工作已广泛展开，但对于二维石墨烯和不同结构金纳米粒子的表面等离激元共振特性的研究还在开始的阶段，对于二维石墨烯的不同费米能级其纳米杂化物散射、吸收等光学特性的影响还不是很清楚，因此我们采用理论仿真的形式设计计算不同的石墨烯纳米金复合模型，深入了解石墨烯对金纳米粒子表面等离激元共振的影响机制及其变化规律，进而揭示其物理机制，为制备纳米金石墨烯复合材料提供理论基础[1]1.2石墨烯的研究概述1.2.1石墨烯的发现与特性在2004年英国曼彻斯特大学的教授安德烈·海姆(AndreGeim)和康斯坦丁·诺沃消洛夫(KonstantinNovoselov)发现石墨烯(Graphene)并将其公诸于世时，石墨烯因为其拥有一些比其他有机材料更加优异的性能而成为当时科学家手中一种炙手可热的材料，而这也引起学者们争先恐后的研究，科学家也预测石墨烯将会在世界各个方面造成根本性的改变。石墨烯(Graphene)是一种由单个碳原子紧密堆积组成六角型呈蜂窝状晶格结构的新型二维碳纳米材料。石墨烯的基本结构单元是有机材料中最稳定的六元环。其厚度约为0.334nm，只有一个碳原子的厚度，大约是人类头发直径的1/200000，也是迄今为止发现的最轻，最薄的二维纳米材料[2]。完美的石墨烯晶格结构取决于它的最强性能和独特性能，其电子运动速率为106m/s，是光速的1/300，也是已知纳米材料中运动速度最快的[3]。石墨烯的载流子迁移率比硅的高100倍，高达2×105cm2/V·S[4]。另外石墨烯具有良好的导电性，导电率为106S/m[5]。更重要的是，石墨烯具有高达2630m2/g的超大比表面积[6]。1.2.2，石墨烯的结构本征石墨烯是拥有一个原子层厚度的二维晶体，石墨烯原胞中有两种不同类型的原子。本征石墨烯中，碳原子四个电子构成了石墨烯的电子轨道最外层，碳碳键长为0.142nm[7,8]，键角为120°，碳原子的三个价电子发生sp2轨道杂化，形成了σ键另外一个价电子在P轨道，形成了π键。由于这种特殊的结构和杂化成键方式[9,10],导致石墨烯体系中产生了自由移动的电子，这种特殊的结构使得石墨烯产生了很多出色的性能。图1.1（石墨烯晶格结构）1.2.3石墨烯的性质及应用石墨烯拥有出色的导电性和超强的硬度和强度、载流子满足狄拉克-费米子特性、量子霍尔效应、对光的饱和吸收等。在此背景下，科学家们对石墨烯的研究越来越热烈。(1)优异的电学性质在石墨烯体系当中，每一个碳原子中包含四个电子,其中三个电子相互作用形成了σ键，而剩余的一个电子没有参与作用，而是在P轨道形成了大π键。所以在石墨烯体系中，P轨道拥有一个自由移动的电子，这样特殊的体系，使得石墨烯的载流子迁移率为2×l05cm2/(V.S)。另外，本征石墨烯也同时拥有很高的电导率，这使石墨烯成为了室温下最好的导电材料。(2)优异的光学性质石墨烯的光学吸收与波长无关，而是与其本身有多少层有关。所以石墨烯近乎在可见光波段，既透过率为99.7%[11,12]。当入射光的强度超过一定值时石墨烯对于光的吸收会达到一个顶点值。石墨烯特殊的零带隙，使得石墨烯在红外光谱波段照射时，对于光的吸收将达到一个顶点值，对于此现象经常被应用在超快光子学领域。(3)优异的力学性质由于石墨烯相互作用形成了化学键，因此石墨烯在外界的能量的作用下也很稳定。石墨烯的抗拉强度达到了125Gpa[13]，石墨烯的弹性模量为1100GPa[14]。1.2.4石墨烯常用的制备方法因为可以较大程度的制造出来，其各种性能又比一些有机材料更好，石墨烯可以在各个领域有很大程度的应用于实践，而按照石墨烯是怎么制造出来，存在两大类的石墨烯制备方法，一种是物理方法，一种是化学方法；物理方法主要是通过物理剥离的方法获得了单层、双层和多层石墨烯。化学的方法主要分为氧化还原法和化学气相沉淀法等。接下来将比较详细的介绍各种方法。(1)机械剥离法通过利用胶带进行一系列机械操作来进行剥离的方法，可以制造出单层的石墨烯。这种制造的方法可以使得石墨烯的结构更加完整的保留下来，这样就不会丢失石墨烯的一些需要的性能，这样便可得到更大程度的应用。最早的机械剥离法，采用的是胶带剥离石墨，但是整个操作比较复杂多变而且事倍功半，没有办法实现流水线上的生产，来解放劳动力，投放市场。对于当前来讲最切实际高效的办法是超声剥离法，2008年，Coleman[15]等对石墨进行了超声剥离，获取到了较为完整的石墨烯。除了超声剥离法和胶带剥离法外，还存在电化学剥离、超临界剥离、液相自我剥离等方法。虽然采用机械剥离法制备的石墨烯有很多的出色优点，比如制造出来的石墨烯体系相对完整、缺陷少，同时又拥有着优异的热力学性质。但是由于这种制造石墨烯的方法太过劳累,无法满足现代工厂制造的较低要求。(2)外延生长法化学气相沉积法(CVD)是外延生长法的一种，CVD是一种大规模制造石墨烯的方法，这种方法制造出来的石墨烯的品质较高并且需要的劳动力相对较低。此方法的基本原理是在高温下将含碳材料分解出碳原子，使得分解出的碳原子内部电子结构重新排列，产生了sp2碳物种[16]。然后将新产生的碳材料料冷却处理，便可以得到衬底上沉积的石墨烯。(3)碳纳米管展开法因为碳纳米管被认为是石墨烯合金，所以理论上可以切断它进行制造。另外，通过纵向切割碳纳米管，有望制造得到正确大小的石墨烯纳米丝带。现在，存在用高锰酸钾切断碳纳米管提取石墨烯氧化物的方法，和反过来用氧化液分解法垂直切断碳纳米管得到石墨烯纳米丝带的方法。也有使用纳米管的等离子蚀刻石墨烯的方法。Dai等人使用等离子蚀刻得到了高质量的石墨烯纳米丝带。(4)氧化还原法氧化还原法一般是用如高锰酸钾等强氧化剂，以及温和氧化剂如硝酸钾，氧化石墨使其转变氧化石墨。然后在通过还原还原反应或者其他还原的方法将氧化石墨变成石墨烯。1.3表面等离激元的发展和应用表面等离激元的研究需要追溯到很多年前，最早在19世纪末期,Sommerfeld和Zennck在探究沿有限宽的导体表面波传输特性期间提出了这种特殊电磁波的代数呈现方式。后来，Wood等人第一次看到了当可见光入射到金属光栅上后，图1.2（光入射到金属光栅上）反射谱线出现了反常的线性，这种线性并不对称，后来的科学家们称之为Wood异常。而表面等离子体波的概念的第一次提出是在1941年，当时是由Fano将Wood异常和之前表面波的概念结合在一起所提出。时间到了二十多年后的1968年，Kretschmann等人使用棱镜耦合的方式将可见光和等离激元二者的波矢完成匹配，成功的引发了表面等离激元的产生。在这之后的时问里，学者们对表面等离激元的探索并没有充满很大的热情，相反却一直保持着不冷不热的状况，直到上世纪末，科学家Ebbesen团队发表了一篇对金属薄膜的亚波长小孔阵列原厂增强透射的文章,这篇文章在当时引起了众多学者对能够打破衍射极限的表面等离激元的探究兴趣，直到现在依旧是国际学术界研究的热点之一。到了本世纪初，Barnes和Ebbesen在自然杂志上发表了《Surfaceplasmonsubwavelengthoptics》的文章，引起了包括物理学家、材料学家和生物学家等多个领域的专家学者的广泛兴趣，他们认为表面等离子体的相关技术即将成为推动光信息时代快速发展的关键性技术。如今，在光学的研究里，使用表面等离激元实现电磁波在金属纳米结构中的亚波长尺寸的光传输、局域和引导等的研究被统称为“表面等离子体学”。图1.3（表面等离激元）截止到现在来说，表面等离激元还是在各个领域应用范围最大的，它在生物和化学领域来制作传感器。细胞的直径从1um到几十um不等，所以用作对细胞进行各种测试的电磁波波长的频率就需要很低，刚好表面等离激元可以用作对生物细胞进行各种作用时的传感器。因为当细胞进行作用时，细胞周围的环境会发生改变比如说介电常数。图1.4（物理所金属薄膜上的表面等离激元和Fano共振研究进展组图）这种变化就会影响在其在介质上进行Fano共振的共振频率，在改变的信息中我们就能通过一系列的计算推演来了解我们想要的信息。最后要讲述的是在新兴光学材料中的使用。我们目前使用的光学材料都是从自然界中获得的，其本身的分子结构已经固定，想要根据研究需求做相应改变的难度非常高。现在随着纳米技术的发展，人为制造光学材料这一思想逐渐被研究人员所重视。以表面等离激元技术为基础，现在已经设计出负介折射率的超导材料。其中影响较大的是在2011年，于教授团队设计的金属纳米天线阵列实现了太赫兹波段的负折射，这是前所未有的技术性突破。表面等离子体学相对来说还只是一个尚在发展的学科，但现在已经取得了前所未有的成就，我们有理由坚信在能够遇见的未来，基于表面等离激元的种种科学应用就会在我们的工作和生活当中处处可见。2时域有限差分法时域有限差分法（FDTD）在电磁场数值模拟得到了广泛的应用。这一章将首先介绍时域有限差分法的历史发展和应用，然后将简单介绍其基本的原理。2.1FDTD的发展和应用随着科学的不断进步和发展，电磁场相关的领域渗透进了日常生活的各个领域，比如说医学，信息通讯，安全防护等方面，这些领域都涉及到了电磁波的传输和散射，反射，以及电磁波与物质相互作用的内容。在研究中，解决上述的这些问题就要我们对不同条件下的Maxwell’s方程组求得精确的解。随着Maxwell在1873年提出了著名的Maxwell’s方程组，电磁组的发展在当时就已经趋向于成熟，但是，只有在特殊理想和简单的结构条件下方程的解才有可能被求出来，所以很明显在日常生活中常见的复杂结构是不能求得解析解的。因此在科学的不断发展下，在1966年有K.S.Yee首先提出了FDTD方法[17]，只是由于当时计算机技术的限制，这个方法没有收到重视。之后Taflove在1972年研究了时谐场相对的数值稳定条件[18]，这一成果促进了FDTD的发展而且使人们开始重视起了时域有限差分法。当到了80年代的时候，计算机的技术得到了空前的发展并逐渐普及，此时，FDTD开始得到越来越来广泛的应用。特别是在Mur在1981年提出一阶和二阶情况下的吸收边界条件之后，FDTD得到了空前的重视。在1994年，完美匹配层的吸收条件被提出，这也更加改进了FDTD方法，让其在更多的领域得到应用。图2.1（基于离散Yee网格的FDTD）伴随通信技术的迅猛发展，原来计算电磁场的方法不断的改进，越来越多的应用于新型计算机的新方法也不断的被发明。对于电磁场和亚波长尺寸的金属结构的相互作用，目前常用的数值计算方法有：有限元法、边界元法、以及时域有限差分法等。各种数值计算的方法都有优点和缺点，对于时域有限差分法，它的突出的优点是它能够直接对时间域进行计算、能够广泛的应用于多种材料和电磁场的相互作用、可以节省大量空间、程序比较容易。这些有利的优点使得FDTD法相对于其他数值计算法有更加广泛的应用领域。比如光子晶体，表面增强拉曼光谱，天线辐射等研究方向，在使用FDTD法进行模拟得到的结果可以很好的和实验结果相匹配。目前在对电磁场与亚波长尺寸的金属结构的相互作用的研究中已经普遍的使用FDTD法[19]2.2FDTD法的基本原理FDTD法是由有限差分法发展出来的直接由麦克斯韦方程组对电磁场进行计算机模拟的数值分析方法，自从其被创造出以来已经发展成为一种理论完整、应用广泛的数值方法，并且与矩量法和有限元法一起奠定了计算电磁学的基础，麦克斯韦旋度方程：（式2-1）（式2-2）其中E为电场强度，B为u磁通量密度，Jm为磁流密度，H为磁场强度，D为电通量密度，J为电流密度。（式2-3）将Maxwell旋度方程改写为（式2-4）（式2-5）其中，σm为磁导率，μ为磁导系数，σ为电导率，ε为介电常数。得到的差分方程组如式，具体推导过程参见文献[20]。HE模式下推导结果：（式2-6）TM模式下推导结果：（式2-7）3石墨烯对金纳米粒子的表面等离激元的影响3.1引言纳米粒子和光之间因为其独特的表面等离激元共振而具有很强的相互作用，所以表面等离激元共振也可以说是尺寸及其之小的光操作，而自始至终，像金这种贵金属都是学者们心中研究表面等离激元的最好的材料之一，在不同种类结构的金纳米粒子中，，其本身因为内外表面等离激元共振的相互作用产生的耦合杂化而拥有多种共振的形式，所以对于金纳米粒子的表面等离激元共振的了解已比较深入，但是对于不同费米能级的2D石墨烯对于金纳米粒子的表面等离激元特性的主动调控的研究并不是很多，因此我们有必要深入研究下。本章采用FDTD软件来研究石墨烯对金纳米颗粒的表面等离激元特性的影响，为设计新型石墨烯-金属纳米复合结构提供理论基础。3.2石墨烯对金纳米球表面等离激元的影响在第一种研究石墨烯对金纳米球表面等离激元共振影响的方法中，我们用了直径d=10nm的金纳米球和边长为50nm的正方形的2D石墨烯片来建立模型，石墨烯和金纳米球的距离为1nm，我们对纳米杂化物的消光截面σext进行了评估，极化方向与金纳米球石墨烯的轴垂直，石墨烯的费米能级在0.3ev到0.5ev间变化（其中0.3ev为黑线，0.4ev为红线，.0.5ev为蓝线），因为计算机资源的限制，我们将网格边长设置为10nm，精度为1nm。由于石墨烯具有高度各向异性的光学特性，电场与电偶极子跃迁矩的耦合是不可能的，并且结果吸收很低。在仿真结果中，我们观察到，当石墨烯的费米能级为0.3ev时，金纳米球的表面等离共振峰值为9.376E-17m2，在波长为531.3nm处；石墨烯费米能级为0.4ev时，金纳米球表面等离共振峰值为9.404E-17m2，在波长为530.3nm处；当石墨烯费米能级为0.5ev，金纳米球的表面等离共振峰值为8.616E-17m2，在波长为527.5nm处；由此分析我们可以发现当石墨烯的费米能级由0.3ev变化到0.4ev时，金纳米球的表面等离激元共振位置蓝移了1nm，而当石墨烯的费米能级由0.4ev变化到0.5ev时，金纳米球的表面等离激元共振位置蓝移了2.8nm，因此我们可以得到当石墨烯和金纳米球在一定的间隙下，石墨烯的费米能级越高，石墨烯对金纳米球的表面等离激元共振波峰的位置越往左偏移，即蓝移。图3.23.3石墨烯对金纳米柱表面等离激元的影响通过研究在文献中经常遇到的如纳米柱，纳米棒的非球形形状可以更加深入的了解金纳米粒子-石墨烯纳米杂化物的表面等离激元共振的变化，在本次对石墨烯对金纳米柱的表面等离激元的影响的研究中，我们设定金纳米柱的半径为5nm，高为15nm，石墨烯为边长为50nm正方形石墨烯片，石墨烯与金纳米柱的间距为1nm，石墨烯的费米能级在0.3ev到0.5ev间变化（其中0.3ev为黑线，0.4ev为红线，.0.5ev为蓝线），我们将网格边长设置为15nm，精度为1nm，金纳米柱的光学性质在长于纳米柱的波长上由一个锐利的等离子体带所支配，这实际上是两个简并电子沿金纳米柱的两个平面结构的激发之和。然而，在较短波长的金纳米柱中也存在其它强度较低的等离激元共振。在仿真结果中，我们观察到，当石墨烯的费米能级为0.3ev时，金纳米柱的表面等离共振峰值为1.397E-16m2，在波长为530.4nm处；石墨烯费米能级为0.4ev时，金纳米柱表面等离共振峰值为1.185E-16m2，在波长为521.9nm处；当石墨烯费米能级为0.5ev，金纳米柱的表面等离共振峰值为1.184E-16m2，在波长为521.6nm处；由此分析我们可以发现当石墨烯的费米能级由0.3ev变化到0.4ev时，金纳米柱的表面等离激元共振位置蓝移了8.5nm，而当石墨烯的费米能级由0.4ev变化到0.5ev时，金纳米柱的表面等离激元共振位置蓝移了0.3nm，而且我们还发现石墨烯为0.4ev和0.5ev时，金纳米柱的表面等离激元的σ值几乎完全相同，波形看起来也重叠在了一起。因此我们可以得到当石墨烯和金纳米柱在一定的间隙下，石墨烯的费米能级越高，石墨烯对金纳米柱的表面等离激元共振波峰的位置越往左偏移，即蓝移。图3.33.4石墨烯对金纳米棒表面等离激元的影响同样的，和研究石墨烯对金纳米柱的表面等离激元的影响一样，在这里，我们设定金纳米棒长轴为25nm，短轴为10nm，石墨烯为边长为50nm的正方形石墨烯片，石墨烯与金纳米棒的间隙为1nm，石墨烯的费米能级在0.3ev到0.5ev间变化（其中0.3ev为黑线，0.4ev为红线，.0.5ev为蓝线）。在仿真结果中，我们观察到，当石墨烯的费米能级为0.3ev时，金纳米棒的表面等离共振峰值为6.468E-15m2，在波长为656.6nm处；石墨烯费米能级为0.4ev时，金纳米柱表面等离共振峰值为6.502E-15m2，在波长为656.4nm处；当石墨烯费米能级为0.5ev，金纳米柱的表面等离共振峰值为6.495E-15m2，在波长为656.1nm处；由此分析我们可以发现当石墨烯的费米能级由0.3ev变化到0.4ev时，金纳米柱的表面等离激元共振位置蓝移了8.5nm，而当石墨烯的费米能级由0.4ev变化到0.5ev时，金纳米柱的表面等离激元共振位置蓝移了0.3nm，而且我们还发现当石墨烯的费米能级从0.3ev到0.5ev变化时，波形几乎相同，没有什么差异。因此我们可以得到当石墨烯和金纳米柱在一定的间隙下，石墨烯的费米能级越高，石墨烯对金纳米柱的表面等离激元共振波峰的位置越往左偏移，即蓝移。图3.43.5本章小结本章使用了FDTD的方法仿真计算了石墨烯对不同结构的金纳米粒子表面等离激元的影响，分别仿真计算了费米能级为0.3ev、0.4ev、0.5ev的石墨烯分别对金纳米球、金纳米柱、金纳米棒的影响，石墨烯和金纳米粒子的距离固定在1nm。仿真结果表明当石墨烯的费米能级从0.3ev变化到0.4ev时，三种不同的金纳米粒子的表面等离激元的共振位置都会发生不同程度的蓝移，分别为1nm，8.5nm，0.2nm，由此可见在此种变化条件下，金纳米柱的表面等离激元共振位置偏离的最为明显，而金纳米棒偏离的程度最小，金纳米球则居中；当石墨烯的费米能级从0.4ev变化到0.5ev时，三种金纳米粒子的表面等离激元共振的位置分别蓝移了2.8nm，0.3nm，0.3nm，此时，金纳米球偏离的最为明显，而金纳米柱和金纳米棒偏离的程度一样。总结与展望4.1论文总结我们使用了FDTD的方法对不同结构的金纳米粒子的表面等离激元的影响进行了研究，研究结果表明在一定的条件下，不管是金纳米球、金纳米柱还是金纳米棒与石墨烯的杂化物，我们想要实现对其表面等离激元共振位置的主动调控，我们都可以采用改变石墨烯费米能级的方法，当想要其共振位置蓝移时，可以将石墨烯的费米能级变大，反之，则变小。4.2论文的不足之处首先，由于计算机资源的限制，仿真时设置的网格大小不够小，不够精细，其次，本论文虽然研究了不同费米能级的石墨烯片对金纳米粒子表面等离激元共振的影响，但是却没有改变金纳米粒子的大小尺寸和金纳米粒子与石墨烯的间距两个变量，若是如此做，研究结果将对研究新型金纳米粒子/石墨烯杂化材料更加具有理论指导意义。参考文献[1]刘昭廷.石墨烯—金属复合纳米颗粒的局域表面等离子体共振特性研究[D].东北石油大学,2017.[2]J.Meyer,A.Geim,M.Katsnelson,etal.TheStructureofSuspendedGraphene[J].Nature,2007,446(7131):60.[3]K.S.Novoselov,A.K.Geim,S.V.Morozov,etal.Two-dimensionalgasofmasslessDiracfermionsingraphene[J].Nature,2005,438(7065):197.[4]K.A.Dompreh,N.G.Mensah,S.Y.Mensah,etal.AcoustoelectricEffectindegenerateCarbonNanotube[J].PhysicaE:Low-dimensionalSystemsandNanostructures,2015,85:160-163.[5]J.Wang,H.Yenny,L.Mustafa,etal.BroadbandNonlinearOpticalResponseofGrapheneDispersions[J].AdvancedMaterials,2010,21(24):2430-2435.[6]田蒙.石墨烯核酸生物传感器及其应用研究[D].山东师范大学,2019.[7]HeerscheHB,OostingaJB,etal.Inducedsuperconductivityingraphene[J]SolidStateCommunications,2007,143:72-76.[8]洪盛熙，邓文基,刘军丰.类石墨烯材料中应力调制的量子泵浦效应[J].深圳大学学报:理工版,2016,33(4):352-358.[9]ZhengY,AndoT.Hallconductivityofatwo-dimensionalgraphitesystem[J]PhysRev:B.2002,65:245420[10]DresselhausMS,AraujoPT.Perspectivesonthe2010Nobelprizeinphysi