FDTD模擬金海膽結構的局域等離子體共振

田翠鋒，劉紅梅，王 萍，孫 祝

（山西大同大學物理與電子科學學院，山西大同037009）

FDTD模擬金海膽結構的局域等離子體共振

田翠鋒，劉紅梅，王 萍，孫 祝

（山西大同大學物理與電子科學學院，山西大同037009）

利用了Finite-Difference Time-Domain方法,對金海膽結構的局域等離子體共振進行了研究。分別考慮了空心和刺的尺寸，刺的分布及介電環境因素對共振峰的貢獻。結果將使人們更深入地理解級次納米結構與局域表面等離子體共振之間相互關系，為光學技術和生物傳感器方向提供有益參考。

貴金屬納米材料；時域有限差分；局域等離子體共振；表面增強拉曼散射

自從1902年Wood等人[1]發現了表面等離子體共振的電磁現象以來，表面等離子體共振現象就受到了物理、材料、生物等研究領域的廣泛關注[2-3]。其中局域等離子體共振（LSPR）的增強特性以及共振峰的可調性，在催化、生物傳感器、醫學成像、表面增強拉曼散射（SERS）等方面得到了廣泛的應用[4]。早期的研究集中在局域等離子體共振的靈敏性增強，通過改變金屬單顆粒尺寸、形貌、極化等因素實現LSPR的增強[5]。后來研究者發現，通過單顆粒耦合（二聚體、陣列[6]等），場增強得到進一步提高。例如，Pasquale等人研究了相同直徑納米圓柱形成的項鏈狀結構[7]，隨著顆粒數（顆粒間隙25 nm）的增加，相應的項鏈直徑變大，環局域光子共振有效耦合成寬頻等離子體模式，SERS檢測的靈敏性增大。目前，研究者更多地關注具有豐富間隙、褶皺和刺狀結構的基底，因為如果顆粒曲率增大，金尖端的電場強度大約是球形的25倍[8]。構筑豐富尖端和尖端耦合可以提高場增強（～106）[9]。級次納米結構，在微納米結構的表面生長豐富的較小納米顆粒或者納米尖刺，這種結構的基底增強因子可以達到107以上[10-11]。很明顯，這些研究結果說明了調控貴金屬納米材料的微觀結構有利于提高LSPR的靈敏度。

另外，由于貴金屬納米顆粒d-d能級躍遷的LSPR共振峰在可見光波段范圍內，并且金具有生物兼容性等特點[12]，因此，本文采用時域有限差分方法設計金海膽結構模型并研究了金海膽結構的幾何分布及介電環境等對于局域表面等離子體共振峰的影響。

1 模型及光學參數

使用FDTD模擬金海膽結構的消光譜，幾何構型如圖1所示，金海膽結構包括空心（直徑d）、金球殼（直徑D）及外圍金刺（長短L）。全場散射場光譜（200～1000 nm）沿著z軸照射，極化方向為x軸，金海膽結構周圍及空心部分是空氣(n0=1.0)，金的介電常數參照文獻[13]。

圖1 金海膽結構的幾何構型及坐標示意圖

2 計算結果與討論

圖2 不同空心球直徑的金殼消光譜

圖2為空心結構對局域等離子體共振峰的影響，實心金顆粒（100 nm）或者是空心直徑較小時，峰位幾乎相同（531 nm），隨著空心直徑增大，峰位紅移（531 nm-554 nm-727 nm）。并且d=90時，出現了一個新的共振峰（613 nm），原因可能是內外半徑差（5 nm）小，內外徑等離子體共振耦合模式也稱雜化效應[14]。

圖3 金刺長短不同的金海膽結構消光譜

圖3金刺長短對局域等離子體共振的影響，固定金顆粒（100 nm）和空心直徑（30 nm）及刺間隙（5 nm），變化金殼外面的金刺長度，當刺長由5 nm增到20 nm時，我們看到531 nm處的共振峰逐漸消弱，殼部分共振減弱，光集中吸收到刺的分布區域，這與顆粒曲率有關。當刺長為10 nm時，在650 nm處有一個共振峰，隨著刺長增加，20 nm長的刺對應713 nm共振峰，刺的局域等離子體共振峰向紅波方向移動。另外，刺長為10 nm和15 nm時，消光譜有一個較弱的峰（分別在713 nm和764 nm），為耦合模式。

圖4 三種金刺分布的消光譜

圖4為金刺分布對局域等離子體共振的影響，我們設計了三種分布：偶層分布、分散分布和集中分布，偶層分布為一層短刺（10～15 nm）和一層長刺（20～25 nm）交替生長，從金球頂端即θ=0°三種分布各自都有三個共振峰，516 nm峰歸屬于金殼，較短的刺貢獻了553 nm左右的峰，600 nm后面的峰為長刺的局域峰。與y軸垂直的平面內，長刺越集中在xz平面附近，長刺耦合幾率越大，因此共振峰有紅移現象。分散分布與偶層分布相比，分散分布每層都會有長刺，且長刺與長刺耦合的間距小于偶層分布的間距，這樣耦合幾率高于偶層分布，所以峰向紅波方向移動，并且共振峰寬化。

圖5 三種介電環境下的金海膽結構消光譜

為了理解介電環境折射率對金海膽結構共振峰的影響規律，我們分別選擇了三種介電環境：空氣（n=1）、水（n=1.33）和四氯化碳（n=1.46）。如圖5所示，隨著折射率增大，金海膽結構的共振峰發生紅移現象，其中在水溶液中的峰在936 nm。貴金屬單顆粒在水溶液的共振信息，為生物傳感設計一定的參考。

3 結論

我們使用Finite-Difference Time-Domain方法，模擬了金海膽結構的幾何構型及介電環境折射率的局域等離子體共振，通過變化刺尺寸及分布來調節共振峰位，獲得了金海膽結構的局域等離子體共振的峰位歸屬以及紅移規律，這些研究結果可以深刻理解光與級次貴金屬結構的相互作用，進而為納米結構的設計制備指明方向，另外，等離子體共振信息為生物醫學等領域提供有益參考。

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FDTD Simulation of the Gold Urchin-like Nanoparticles for the Localized Surface Plasmon Resonance

TIAN Cui-feng,LIU Hong-mei,WANG Ping,SUN Zhu
(School of Physics&Electronic Science,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009)

We analyzed the Localized surface Plasmon resonance(LSPR)of Au urchin nanostructures with Finite-Difference Time-Domain(FDTD)method by controlling the size,the distribution of nanotips and background index.The results of the FDTD calculation will lead to a better understanding of the relationship between the hierarchical nanostructures and the local surface plasmon resonance,providing a useful reference for the optical technology and biological sensors.

noble-metal nanomaterials;finite difference time-domain;localized surface plasmon resonance;surface-enhanced Raman scattering

O469

A

1674-0874(2017)06-0025-03

2017-09-06

國家自然基金[11304188]；山西省自然科學基金[201701D121038]；山西大同大學博士啟動基金[2014-B-02]

田翠鋒(1973-)，女，山西懷仁人，博士，副教授，研究方向：凝聚態物理。

〔責任編輯 高彩云〕