摘 要

当入射光照射到金属纳米粒子时会产生LSPR（局域表面等离子体共振）现象。LSPR是局域在金属纳米结构中电子的集体振荡，其共振条件对金属周围介质折射率的改变非常敏感，正因如此，LSPR效应在传感领域有着重要的应用，但是传感器的灵敏度还需要提高。因此本次论文旨在应用LSPR原理完成相关的仿真，并进行进一步的探讨，为LSPR研究及相关传感器的制作提供理论基础。

本次设计主要利用MATLAB软件，通过Mie理论模型对不同材料，尺寸及介质环境下的金属纳米粒子的吸收光谱进行仿真，并对其结果进行分析，得到相应规律变化。

研究结果表明：LSPR现象受到粒子材料，尺寸及周围介质环境等因素的影响。对于球形纳米粒子而言，其吸收峰只有一个；不同材料的金属纳米粒子对光的吸收性质有着显著的区别；随着纳米球尺寸的增大，最大吸收率是明显变大的；随着周围介质环境折射率的增大，最大吸收峰相应变大，最大吸收峰对应的波长也在变大，向着红外光方向偏移。

本文特色在于：建立了球形Mie理论模型，用MATLAB软件对金属纳米粒子的吸收光谱进行了仿真，并比对相关理论进行了一定的分析。

关键词：LSPR；Mie理论；纳米金属球

Abstract

LSPR (localized surface plasmon resonance) phenomenon can be produced when the incident light is irradiated to metallic nanoparticles. LSPR is the collective electron charge oscillations confined in metallic nanostructures, the resonance condition is sensitive to the change of refractive rate around the metal, because of this, the LSPR phenomenon has a important application in the sensing field, but the sensitivity of the sensor are also needed to improve. Therefore, this paper aims to using LSPR principle to complete the related simulation, and further study, to provide a theoretical basis for the production of LSPR research and related sensors.

This design mainly uses MATLAB software ,different materials, sizes and media absorption spectra of metal nanoparticles is simulated by Mie theory model, and the results were analyzed to obtain the corresponding changes.

The results show that the LSPR phenomenon is influenced by the particle material, size and surrounding medium environment. For spherical nanoparticles, the absorption peak is only one; metal nanoparticles of different materials on light absorption properties have a significant difference, with the increase of the size of nano ball, the maximum absorption rate is significantly larger; with the increase of the refractive index of the surrounding medium, the absorption peaks corresponding variable, the maximum absorption peak corresponding to the wavelength is larger, toward the offset in the direction of the infrared light.

The characteristics of this paper is: to establish a theoretical model of spherical Mie, add new design ideas, absorption spectra of metal nanoparticles is simulated with MATLAB software, and made some analysis and comparison of related theories.

Key words：LSPR; The theory of Mie; Nano metal spheres

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1目的及意义 1

1.2背景及现状 1

1.3主要内容及章节安排 3

第2章 理论基础 5

2.1纳米粒子简介 5

2.2 表面等离子体波 6

2.3 表面等离子体共振（SPR） 6

2.4局域表面等离子共振（LSPR） 7

2.5 理论模型 8

2.5.1 Mie氏理论 8

2.5.2 Gans理论 9

2.5.3 M-G理论 10

2.5.4 离散偶极近似算法（DDA） 10

2.5.5 时域有限差分（FDTD） 11

2.5.6 几种计算方法的对比 11

2.6 本章小结 11

第3章 纳米粒子的光谱吸收仿真 12

3.1纳米粒子的材料对光谱吸收的影响 12

3.2纳米粒子的大小对光谱吸收的影响 15

3.3 周围介质环境对光谱吸收的影响 18

3.5 本章小结 20

第4章 总结与展望 21

4.1 研究结果 21

4.2 本论文创新与不足 21

4.3 展望 22

参考文献 23

附 录 24

致 谢 28

绪论

1.1目的及意义

金属是生活中常见的一种材料，它具有良好的光电特性，因此在各个领域都是人们研究的热点。近年来，随着纳米技术的逐步发展，纳米精度不断提高，纳米级别的金属成为一个可行的研究方向。在上世纪八十年代中期，纳米金属材料成功被研制，它们是大小在一至一百纳米之间的非常细微的颗粒，这个尺度相当于大概十到一百个原子紧密的排列在一起。正是因为纳米金属的这种细小尺度，它才会有着与大尺度下的金属迥异的光电特性，从而成为各个领域的研究热点，具有广阔的应用前景。

当金属的电介质表面受到光波照射时，金属表面的电荷密度会发生变化从而产生表面等离子体，当光波频率与等离子体波频率相当时，二者就会发生共振，也就是表面等离子体共振（SPR）^[1]。光与连续性的纳米级金属薄膜相互作用会产生SPR，当纳米级别的金属不再连续，而是分离为一个个的金属纳米粒子的时候，在和光发生作用时，也能激发表面等离子体波，只要表面等离子体波振荡频率与入射光频率相近，就会产生共振，因为这种表面等离子体波被局域在金属纳米结构附近，故被称为金属纳米粒子的局域表面等离子体共振（LSPR，localized surface plasmon resonance）。