【《金属纳米颗粒的光谱辐射特性分析》2400字】

金属纳米颗粒的光谱辐射特性分析目录TOC\o"1-3"\h\u28830金属纳米颗粒的光谱辐射特性分析 110321.1颗粒的辐射特性 1318121.1.1不同粒子的辐射特性因子 2149301.1.2不同粒径下的辐射特性因子 544331.2散射相函数 61.1颗粒的辐射特性Au、Ag、Cu等金属材料是纳米颗粒研究中运用最多的材料，本文研究对象为球形金属纳米材料。本节的主要目的是研究单个金属纳米颗粒辐射特性因子随波长的变化。基于单个纳米粒子，建立了Mie理论模型来模拟纳米颗粒的光谱吸收特性。在计算结果的基础上，深入研究了材料性质、粒径大小、粒径分布及周围介电环境对纳米结构吸收特性的影响，以揭示光谱特性的调节机制[8]。图3-1金、银和铜的光学常数如图3-1所示，反映了材料本身的固有特性。n是复折射率的实部，它决定了光波在介质中的传播速度v=c/n，其中c是光速，虚部k又称消光系数，它决定了光波在传播过程中的衰减程度。但k值越大，虚部越大，吸收不一定越强，这会增加反射，阻止光波进入材料。在研究纳米粒子的光学性质之前，首先要了解材料的光学常数。对于单个球形纳米颗粒，可以使用理论解，利用上述光学常数可以很容易地得到结果[8]。1.1.1不同粒子的辐射特性因子下图为不同粒径下Au、Ag、Cu三种金属材料纳米粒子的吸收特性图。图3-2描述的是Au、Ag、Cu三种球形金属纳米颗粒在颗粒半径R=10nm的情况下，单个粒子的吸收因子随入射波长的变化情况。从图中可以发现，紫外可见光波段是主要吸收区，对长波段的吸收趋近于0，且Ag的吸收性能明显高于Au和Cu。而Au和Cu的吸收能力相当。Ag纳米粒子的吸收波段最窄，在所研究的波段有一个明显的吸收峰，最强吸收峰位于386nm，且吸收强度最高。Au和Cu纳米粒子的吸收波段主要位于200~600nm，吸收波段比之Ag粒子得到扩展。且Au粒子吸收峰发生红移。Cu纳米粒子的吸收光谱较平稳，没有明显的吸收峰。图3-2（R=10nm）图3-3（R=20nm）图3-3描述的是Au、Ag、Cu三种球形金属纳米颗粒在颗粒半径R=20nm的情况下，单个粒子的吸收因子随入射波长的变化情况。从图中可以发现，紫外及可见光波段是主要吸收区域，长波段的吸收趋近于0，且Ag的吸收性能明显高于Au和Cu。Au的吸收能力略强于Cu。Ag纳米粒子的吸收波段最窄，有一个明显的吸收峰，最强吸收峰位于405nm，较R=10nm时红移，且对应的吸收因子变小。Au和Cu纳米粒子的吸收波段主要位于200~700nm，较R=10nm时，吸收波段得到扩展，峰值变大。图3-4描述的是Au、Ag、Cu三种球形金属纳米颗粒在颗粒半径R=50nm的情况下，单个粒子的吸收因子随入射波长的变化情况。从图中可以发现，这几种金属材料的吸收区域主要集中在紫外及可见光波段，对红外长波段的吸收趋近于0，且Au和Cu的吸吸收能力明显增强，Ag的吸收能力大幅下降，远低于Au和Cu。Au与的Cu吸收能力不相上下。Ag纳米粒子的吸收波段最窄，在所研究的波段有两个明显的吸收峰，分别是272nm和395nm，较R=20nm时紫移，且最大的吸收因子缩小了4倍。Au和Cu纳米粒子的吸收波段主要位于200~750nm，较R=20nm时，吸收波段得到扩展，峰值变大。Au纳米粒子有一个明显的吸收峰值在波长537nm处，Cu粒子的一处峰值在574nm处。图3-4（R=50nm）图3-5（R=100nm）图3-5描述的是Au、Ag、Cu三种球形金属纳米颗粒在颗粒半径R=100nm的情况下，单个粒子的吸收因子随入射波长的变化情况。从图中可以发现，这几种金属材料的吸收区域主要集中在紫外及可见光波段，对红外长波段的吸收很少，且Au和Cu的吸吸收能力明显更强，Ag的吸收能力再次下降，远低于Au和Cu。Au与的Cu吸收能力不相上下。Ag纳米粒子的吸收波段最窄，在所研究的波段有三个明显的吸收峰。Au和Cu纳米粒子的吸收波段主要位于200~1000nm,较R=50nm时，吸收波段得到扩展，但峰值变大。Au纳米粒子有一个明显的吸收峰值在波长503nm处，Cu粒子的一处峰值在549nm处。综上可得，在粒径较小时，Ag纳米粒子的吸收能力更突出，吸收因子峰值更高，但波段范围较窄，主要集中在紫外区。而粒径较大时，Ag纳米粒子的吸收能力显著下降，远不如Au和Cu。且Au和Cu纳米粒子吸收波段范围更广，更稳定。纳米粒子整体上吸收紫外及可见光波段的能量，很少吸收到长波段的能量。1.1.2不同粒径下的辐射特性因子纳米颗粒的尺寸为纳米级。与块体材料相比，它们较小的尺寸会导致宏观物理性质的变化，从而导致光学、热学和磁学性质的变化。当纳米颗粒的尺寸小于光波的波长时，它们会与入射光发生复杂的相互作用，从而赋予它们许多独特的光学性质。纳米材料的小尺寸效应大大提高了纳米材料的光吸收性能。例如，每种大块金属材料都有自己的特征颜色。一旦它们的尺寸减小到纳米级，它们都会呈现黑色，并显示出很强的吸收性能。粒径越小，纳米材料的吸光能力越大。这表明纳米材料的尺寸效应对其光学性能有很大的影响[11]。本部分主要研究纳米颗粒的散射、吸收与粒径的关系，从而分析球形纳米颗粒在不同尺度下的光谱特性。图3-6金纳米粒子的散射和吸收效率与粒径的关系如图3-6所示。显然，当粒径较小（R=10nm，R=20nm）时，收集性能占主导地位。随着粒径的增大，分散性增强，吸收率降低。图3-7描述了Au纳米粒子在波长l=0.6mm时，其辐射特性因子的变化情况，随着粒子尺寸增加，纳米材料的衰减、散射、吸收能力都逐渐增强，达到一个峰值。其衰减和散射峰值靠近，约处于r=0.6mm处，吸收因子峰值出现在r=0.5mm处。峰值过后，衰减和散射能力逐渐下降，最后趋于原来的三分之二,吸收因子逐渐下降至0.6，不足峰值二分之一[11]。图3-7（Au）1.2散射相函数如图3-8描述了Au纳米颗粒在波长l=0.6mm时的散射相函数。当粒子的尺度参数较小，散射能量的分布基本上与光学常数无关，而且前、后向的散射能量是对称的，数值非常贴近。当光学常数不变，粒子尺度参数増大时，前、后向的散射能量会岀现非对称性，前向要比后向的大，曲线光滑。图3-8如图3-9描述了Ag纳米颗粒在波长l=0.6mm时的散射相函数。当粒子的尺度参数较小，散射能量的分布基本上与光学常数无关，而且前、后向的散射能量是对称的，数值相差不大。当光学常数不变，粒子尺度参数増大时，前、后向的散射能量会岀现非对称性，前向要比后向的大，曲线光