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中文摘要摘要金属纳米粒子的光学性质及其在表面增强拉曼散射效应中的应用是当今纳米科学研究中的一个热点。为了克服Mie理论仅能解决光与球形粒子相互作用的不足,本论文工作的中心是从理论上定量研究非球形金属纳米粒子及其聚集体的线性光学性质,并研究粒子的形状、尺寸及介电环境等因素对光学性质影响,进而探讨与此密切相关的表面增强拉曼散射(SERS)效应中的电磁场增强机理。论文共分四个部分。前言部分介绍目前金属纳米粒子光学性质的主要理论研究方法及表面增强拉曼光谱技术的主要特点及最新进展,并在此基础上提出本论文的主要设想及工作思路。第二章简单介绍了Mie和Gans理论后,重点介绍能解决任意形状的粒子与光相互作用问题的离散偶极近似(DDA)方法及其应用。利用DDA 方法,从理论上定量研究了纳米尺度的金、银等币族金属的光学性质与其大小、形状、介电环境等因素的具体关系,并与实验值比较。第三章主要借助一些简单的物理模型,从定性及半定量的角度探讨SERS的电磁场增强机理,重点是解决过渡金属体系在可见光及近紫外区的电磁场增强机理问题。第四章则借助三维时域有限差分法(3D—FDTD),考虑到粒子大小、形状、相互耦合等因素对SERS增强的影响,研究了复杂SERS体系中的电磁场增强机理,并探讨了近年来受到特别关注的纳米粒子聚合体中那些具有特别高SERS增强因子的“热点”问题。本论文工作的创新点及主要成果有如下三点: 、尺寸、形状及所处的介电环境等因素对其光学性质的影响,得到了较为准确的的金、银纳米粒子线性光学性质的定量结果。通过与实验数据的对比分析,发现DDA的结果在拟合金属纳米粒子的光学性质时要明显优于用传统的解析方法得到的结中文摘要果;得到并讨论了纳米粒子的消光极值位置与粒子大小、形状及所处介电环境折射率的定量拟合公式。 ,通过建立数学模型并求解麦克斯韦方程,首次系统地分析了过渡金属体系的电磁场增强机理。主要成果包括:从理论上详细分析了表面粗糙化在制备过渡金属SERS活性基底时的重要作用,深入探讨了表面等离子激元共振(SPR)及避雷针效应在过渡金属体系中的影响;然后通过理论计算, 首次从理论上指出避雷针效应是决定过渡金属体系的SERS增强因子的关键因素; 初步从理论上阐明了有重要意义的铑体系在紫外区的SERS机理。 ,突破传统Mie理论只能研究球形粒子的限制,并在考虑粒子间相互耦合作用的基础上定量计算了金、银、铑、镍、铂等色散型材料组成的各种形状和聚集态的纳米粒子体系在激光作用下的表面电磁场的增强情况,并特别关注SERS中“热点”位置处的SERS增强因子。研究结果表明,3D—FDTD方法是解决单分子SERS及过渡金属体系的SERS电磁场增强机理问题的强有力工具。一系列针对不同的币族金属及过渡金属SERS活性体系的电磁场增强计算结果对进一步探索复杂的SERS电磁场增强机理及优化实验设计均有十分重要的意义。关键词:纳米粒子光学性质表面增强拉曼散射电磁场增强机理 Abstract Abstract The optical properties ofmetallic nanoparticles and theirapplication insurface enhanced Raman scattering(SERS)have been a hot topic in nanoscience and main focus ofthisthesisis tosurpass thelimitation ofMie theory, whose application isrigorously limited tospherical panicles,in order totheoretically study thequantitative dependence ofthelinearopticalproperties and ic (EM)enhancement mechanism ofSERS on thesize,shape,surrounding medium of metal nanoparticles witharbitraryshape. The thesisisdivided thefirstchapter,the aims and main tasks of thiswork was presented afterreviewing theoretical methods forstudying optical properties of metal nanopar