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南 京 航 空 航 天 大 学 攻读硕士学位研究生 课 题 论 证 报 告 姓 名 黄明丽 学 号 SX1308035 专 业 凝聚态物理 研究方向 plasmonics 指导教师 杜朝玲 副教授 2014年 12 月 9 日 课题名称：基于贵金属纳米结构SPR传感器的折射率敏感特性研究 选题依据（包括课题的来源、研究目的、必要性和重要性、意义以及国内外研究的技术现状分析） 一 、研究的来源与必要性 最近几年，表面等离激元有关的研究取得了众多令人鼓舞的新进展，而且向其他领域交叉渗透的速度迅速，新的研究分支不断出现。与表面等离激元有关的研究进展已经有了一些报道，涉及表面增强拉曼散射，传感器件，左手材料以及其他的一些应用技术。 早在一百多年前，人们就认识到贵金属纳米颗粒在可见光区表现出很强的宽带光吸收特性。这种现象实质上是由于费米能级附近导带上的自由电子在电磁场的驱动下在金属表面发生集体振荡，产生所谓的局域表面等离激元（LSP），共振状态下电磁场的能量被有效的转变为自由电子的集体振动能[1]。 贵金属（尤其是Au和Ag）纳米结构具有优异的光、电、催化等特性。因此可以通过调控其形貌、材质、尺寸、及周围介质的光学性质，来实现相应光学特性的调控。这种光学性质的敏感性使该类材料在光存储、通讯、微电子、医疗传感、生化探测，能源等领域有巨大的应用潜力[2-7]。然而，贵金属纳米结构在用作传感器时，其对周围介质折射率RI 的相应特性的研究仍然非常有必要。这不仅具有重要的基础意义，对于相应纳米结构在未来传感与探测的实际应用中可提供理论指导和数据支持。 研究意义 贵金属纳米结构的SP具有近场增强与表面限域两个基本特点[8-9]。而且金属纳米结构在光频区具有广泛可调的SP光学特性，金属纳米材料特殊的光学性质源于表面等离子体（或表面等离激元）共振（SPR），其物理根源是金属纳米颗粒表面的自由电子在电磁场的驱动下，在颗粒表面发生电荷振荡效应，当入射光频率与自由电子振荡频率相应时，即产生表面等离子体共振（SPR）。由于金属纳米结构在光频区具有广泛可调的SP光学性质，并且通过调控纳米粒子的形状、几何结构、组成、以及周围介质的光学性质，来实现对其光学特性的调控。因此，近年来，贵金属纳米粒子在传感器和探测器上的应用越来越受到人们的广泛关注。例如在实验上，对于单独的贵金属纳米粒子的LSPR（Localized Surface Plasmon Resonance )会随着周围介质环境的改变出现线性红移的现象[10-12]。在光纤生物传感器中，对于不同长径比的金纳米棒，其对应的LPB(longitudial plasmon band)峰值波长随着折射率的改变也出现线性红移现象且长径比越大，其折射率敏感系数越大[13]，然而，Miller 和 Lazarides 从理论上指出，由于金的电介质常数在可见光区是线性的，所以一个30nm*12nm的金砖块的LSPR随着周围介质环境的改变出现非线性（一般为二次的）红移[14]，并非线性红移。同时，对于包裹的单独金纳米杯的LSPR随着包裹层的变化也表现出非线性（二次的）红移现象[15]。那么贵金属纳米粒子的LSPR随着周围介质环境的变化出现的是线性红移？还是非线性红移？以及LSPR随着包裹层折射率的变化出现的是线性红移还是非线性红移？这些问题，已有的文献很少有对其进行系统的研究，然而，研究这些问题，对于贵金属纳米粒子在传感器和探测器上的应用，提供新的基于SP的元器件，有着非常重要的指导作用。 研究目的 本论文的研究目的是利用DDA仿真软件模拟计算出符合实际的各种贵金属纳米粒子的LSPR的峰位，并探究贵金属纳米粒子的LSPR传感器对周围以及局域介质环境折射率的改变所做出的响应特性的研究。 国内外研究的现状 等离子体是纳米光子学的一个重要的分支，从近些年发展的前景看，等离子体取得了令人鼓舞的进展，并且有着广泛的应用。例如，基于表面增强拉曼散射（surface enhanced Raman scattering，SERS）的单分子光谱；基于局域表面等离子体共振传感的化学、生物超灵敏探测器；制备形貌、尺寸、材质等可以很好控制的纳米颗粒，并将其用作模型材料来研究SERS局域电磁场增强机理；利用金属纳米结构腔处的共振SPs放大