1、金屬納米粒子的光學(xué)性質(zhì)及其在表面增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng)中的應(yīng)用是當(dāng)今納米科學(xué)研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。為了克服Mie理論僅能解決光與球形粒子相互作用的不足，本論文工作的中心是從理論上定量研究非球形金屬納米粒子及其聚集體的線性光學(xué)性質(zhì)，并研究粒子的形狀、尺寸及介電環(huán)境等因素對光學(xué)性質(zhì)影響，進(jìn)而探討與此密切相關(guān)的表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)效應(yīng)中的電磁場增強(qiáng)機(jī)理。 論文共分四個(gè)部分。前言部分介紹目前金屬納米粒子光學(xué)性質(zhì)的主要理論研究方法及表面增強(qiáng)

2、拉曼光譜技術(shù)的主要特點(diǎn)及最新進(jìn)展，并在此基礎(chǔ)上提出本論文的主要設(shè)想及工作思路。第二章簡單介紹了Mie和Gans理論后，重點(diǎn)介紹能解決任意形狀的粒子與光相互作用問題的離散偶極近似(DDA)方法及其應(yīng)用。利用DDA方法，從理論上定量研究了納米尺度的金、銀等幣族金屬的光學(xué)性質(zhì)與其大小、形狀、介電環(huán)境等因素的具體關(guān)系，并與實(shí)驗(yàn)值比較。第三章主要借助一些簡單的物理模型，從定性及半定量的角度探討SERS的電磁場增強(qiáng)機(jī)理，重點(diǎn)是解決過渡金屬體系在可見

3、光及近紫外區(qū)的電磁場增強(qiáng)機(jī)理問題。第四章則借助三維時(shí)域有限差分法(3D-FDTD)，考慮到粒子大小、形狀、相互耦合等因素對SERS增強(qiáng)的影響，研究了復(fù)雜SERS體系中的電磁場增強(qiáng)機(jī)理，并探討了近年來受到特別關(guān)注的納米粒子聚合體中那些具有特別高SERS增強(qiáng)因子的“熱點(diǎn)”問題。 本論文工作的創(chuàng)新點(diǎn)及主要成果有如下三點(diǎn)： 1.利用新近發(fā)展起來離散偶極近似方法定量研究了金屬納米粒子的材料、尺寸、形狀及所處的介電環(huán)境等因素對其光學(xué)

4、性質(zhì)的影響，得到了較為準(zhǔn)確的的金、銀納米粒子線性光學(xué)性質(zhì)的定量結(jié)果。通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比分析，發(fā)現(xiàn)DDA的結(jié)果在擬合金屬納米粒子的光學(xué)性質(zhì)時(shí)要明顯優(yōu)于用傳統(tǒng)的解析方法得到的結(jié)果；得到并討論了納米粒子的消光極值位置與粒子大小、形狀及所處介電環(huán)境折射率的定量擬合公式。 2．以電磁場理論為基礎(chǔ)，通過建立數(shù)學(xué)模型并求解麥克斯韋方程，首次系統(tǒng)地分析了過渡金屬體系的電磁場增強(qiáng)機(jī)理。主要成果包括：從理論上詳細(xì)分析了表面粗糙化在制備過渡金屬SE

5、RS活性基底時(shí)的重要作用，深入探討了表面等離子激元共振(SPR)及避雷針效應(yīng)在過渡金屬體系中的影響；然后通過理論計(jì)算，首次從理論上指出避雷針效應(yīng)是決定過渡金屬體系的SERS增強(qiáng)因子的關(guān)鍵因素；初步從理論上闡明了有重要意義的銠體系在紫外區(qū)的SERS機(jī)理。 3．借助并發(fā)展三維時(shí)域有限差分法，突破傳統(tǒng)Mie理論只能研究球形粒子的限制，并在考慮粒子間相互耦合作用的基礎(chǔ)上定量計(jì)算了金、銀、銠、鎳、鉑等色散型材料組成的各種形狀和聚集態(tài)的納米