摘要
贵金属纳米结构在入射光的作用下会产生等离子激元振荡，且自由电子的相互碰撞会促进表面电场的增强。另外，氧化锌（ZnO）是一种宽带隙半导体材料，具有优良的光电性能，将贵金属纳米结构与ZnO材料结合起来，可进一步产生共振耦合效应，拓宽等离子体共振特性的应用领域，是近年来研究者关注的热点之一。 通过各种性能优化，贵金属纳米结构的表面电场强度仍无法达到实际需求，因此将金属纳米结构局域化，且与半导体材料组成二聚体甚至多聚体结构的设计为等离子体效应的研究提供了新的思路，同时将核壳结构与二聚体结构结合起来，在所建模型中寻找一种最优的结构并探讨核壳纳米结构之间的耦合效应，对改善材料的等离子体共振具有十分重要的意义。本文采用COMSOL Multiphysics软件的波动光学模块建立了不同参数的二聚体和四聚体纳米结构，并通过有限元方法划分网格，进而分析了所建模型的多物理场分布，最后讨论了不同结构中局域表面等离子体共振(LSPR)效应的微观机理。主要研究内容如下： (1)建立了几种金属(三角形)@金属(圆形)二聚体结构模型，通过研究不同频率下的电场强度分布确定共振频率，在相同共振频率下对比了Ag@Ag、Au@Au、Ag@Au和Au@Ag四种结构中的LSPR效应，结果表明单层二聚体中Ag@Au结构中伴随着更大的电场增强，具有更好的LSPR特性。同时建立了Ag@CuO和Ag@ZnO两种金属@半导体二聚体结构模型，选用了平板@圆形、正三角形@圆形和正四边形@圆形等几种形状模型，研究了不同核壳比对二聚体结构电场分布的影响，结果表明Ag@ZnO核壳二聚体结构极大程度上提高了场增强效应，为LSPR提供了一种新的组合方式。 (2)基于Ag@ZnO二聚体的优化参数，建立了圆形和四边形的Ag单层四聚体和Ag@ZnO四聚体结构，并对几种结构的电场分布以及电场强度的X分量对弧长的依赖关系进行了理论模拟研究。结果表明Ag@ZnO核壳四聚体结构的设计改善了单层结构的不足，它不仅使得电场分布沿轴线呈轴对称分布，同时也增强了电场强度。最后建立了三维球状四聚体，分析了三维四聚体结构所产生的LSPR效应，结果表明三维模型中虽可以呈现出电场的增强情况，但不能表现出共振耦合的过程，通过改变四聚体的单胞结构，可以有效调控多聚体结构的共振峰位和共振强度。 (3)建立了不同结构的Ag包覆ZnO模型，对比分析金属壳层与局域化金属纳米粒子包覆ZnO核壳结构产生的等离子激元共振增强效应，并研究了Ag粒子的数量（1个、2个、3个、4个）对不同形状（圆形、正方形、三角形）ZnO纳米结构的LSPR效应影响，利用软件后处理模块对场强分布及共振强度进行数据处理，调节并逐步优化，进而获得最优折射率，在最优折射率的基础上进一步进行参数优化，将获得的结果与已报道的实验结果进行对比分析，进一步筛选出最具实用价值的几何参数，总结理论模拟结果，探究贵金属包覆氧化锌纳米结构局域表面等离子体共振特性微观机理。
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