貴金屬納米顆粒傳感性質(zhì)研究

謝欣

摘?要：利用時域有限差分法（FDTD，F(xiàn)inite-Difference Time-Domain）算法仿真分析了純金，純銀的半球及球冠納米顆粒的LSPR（Localized Surface Plasmon Resonance）消光光譜。發(fā)現(xiàn)納米半球的材料和球冠尺寸會對光譜造成影響;消光峰位置的變化與環(huán)境折射率成線性關(guān)系;銀納米半球的折射率靈敏度大于金納米半球的靈敏度;球冠與平面的接觸角的改變會影響消光峰的位置。

關(guān)鍵詞：微納傳感;貴金屬顆粒;FDTD

當(dāng)納米顆粒的尺寸遠小于入射電磁波波長，且納米顆粒的自由電子往復(fù)振蕩的固有頻率與入射電磁波頻率一致時，所產(chǎn)生的表面電子集體振蕩大幅增強的現(xiàn)象稱之為局域表面等離子體共振（Localized Surface Plasmon Resonance，LSPR）;這種特殊波長處的強烈的共振信號在特定場合中可以被傳感儀器檢測傳輸。本文利用FDTD solution仿真軟件，取常見的金、銀金屬材料，對半球結(jié)構(gòu)的納米顆粒的LSPR現(xiàn)象進行了仿真分析，得到了納米半球顆粒在相應(yīng)變化條件下消光曲線的變化規(guī)律，為納米傳感的進一步研究奠定了理論計算基礎(chǔ)。

1 仿真模型的介紹與環(huán)境參數(shù)設(shè)置

仿真模型如圖1所示：仿真的波長范圍設(shè)置在300nm到800nm之間，為可見光范圍，為實驗室常用光波方位。模型的光源為全場散射場光源（TFSF），該光源的優(yōu)勢是散射場的計算提前去除了光源直射部分，通常搭配PML（完美匹配層邊界條件），可以較好地仿真計算出模型的吸收截面積和散射截面積，二者相加得出消光截面積的值。

2 仿真與結(jié)果分析

2.1 同尺寸下不同介質(zhì)的金、銀納米半球的消光光譜

為了驗證同等大小的金、銀納米顆粒在不同介質(zhì)環(huán)境中的LSPR消光曲線。假定金和銀納米顆粒半徑均為30 nm在不同折射率的介質(zhì)中，消光峰的位置隨折射率n的增大而逐漸紅移;在1.0-1.5介質(zhì)折射率范圍中任取五個值，計算得到分別對應(yīng)的消光峰波長為405.42nm，480.15nm，488.073nm，502.15nm，525.58nm;作線性相關(guān)分析結(jié)果如圖2（b）所示，消光峰峰值波長（nm）λ=171.06+233.54n根據(jù)計算得到折射率靈敏度為233.54nm/RIU。取同樣的仿真參數(shù)下得到金納米半球顆粒的消光曲線如圖2（c）所示。

取同樣的五種介質(zhì)折射率進行計算，金納米半球消光曲線的消光峰波長分別為：537.37、590.38nm、595.89nm、607.23 nm和627.11nm。其消光峰波長與折射率的擬合直線如圖2（d）所示，消光峰波長（nm）λ=363.86+172.01n;即半徑為30nm金納米半球的折射率靈敏度為172.01nm/RIU。銀對周圍介質(zhì)環(huán)境的改變反應(yīng)更靈敏，有助于傳感檢測性能的提高。

2.2 改變接觸角對銀球冠納米粒子消光光譜的影響

為了驗證銀球冠納米顆粒取不同接觸角時的LSPR消光曲線。假定接觸角θ=90°時銀納米半球顆粒半徑為a=30 nm，介質(zhì)環(huán)境的折射率n分別為1（真空）。以此來銀球冠納米顆粒的LSPR現(xiàn)象對接觸角θ變化的規(guī)律，所得到的銀納米顆粒的消光曲線如圖4（a）（b）所示。在真空的介質(zhì)中，消光峰的位置隨接觸角θ的增大而藍移;通過對數(shù)據(jù)的線性擬合發(fā)現(xiàn)，當(dāng)0<θ<90°時，消光峰波長（nm）λ=604.2212.44θ;當(dāng)90°<θ<180°時，消光峰波長（nm）λ=453.3510.57θ;后者的峰值波長對接觸角θ的改變較不敏感，即形狀的微小變化不會對峰值波長的位置有較大的影響。

3 結(jié)論

利用FDTD的計算方法，通過對銀納米半球粒子的消光光譜的計算可以發(fā)現(xiàn)，通過仿真同等大小的金、銀納米半球顆粒在不同介質(zhì)中的LSPR消光特性曲線的變化情況。結(jié)果表明，納米半球顆粒的LSPR消光峰lSPR波長都與環(huán)境介質(zhì)的折射率變化有一定關(guān)系。在同等大小的情況下，銀納米半球顆粒的靈敏度大于金納米半球顆粒的靈敏度。且變化趨勢呈線性相關(guān)。半球納米顆粒是球冠納米顆粒的一個特例，當(dāng)球冠納米顆粒與平面接觸角的改變有線性關(guān)系，且接觸角在90°到180°之間的改變對峰值波長的影響較0°到90°的影響小。通過調(diào)整球冠納米顆粒的接觸角可以達到調(diào)諧的目的。

參考文獻：

[1]聶興國，王琛.金屬納米粒子LSPR效應(yīng)綜述.廣東化工，2017.

[2]Mark W.Knight，et a1.Gallium Plasmonics：DeepSubwavelength Spectroscopic Imaging of Single and Interacting Gallium Nanoparticles.ACSNANO，2015.

[3]Minjung Choi，et a1.Lithography-Free Broadband Ultrathin-Film Absorbers with Gap-Plasmon Resonance for Organic Photovoltaics.ACS Applied Materials & Interfaces，2016.