基于FDTD方法的半經(jīng)典納米結(jié)構(gòu)電磁特性研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種新型材料電磁特性已經(jīng)成為人們的研究焦點(diǎn)。本文研究的納米結(jié)構(gòu)材料，就是當(dāng)下的熱點(diǎn)之一。
　　納米結(jié)構(gòu)，是指以本身有一維度尺寸達(dá)到納米級(jí)，即在100nm以下的物質(zhì)單元為基礎(chǔ)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體。納米級(jí)物質(zhì)單元包括很多種，天然的納米顆粒、人造的納米尺寸孔徑都是納米結(jié)構(gòu)。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)技術(shù)和制造技術(shù)的日趨成熟，金屬納米結(jié)構(gòu)的深入研究成為為可能。在人們熟知的如傳感、光學(xué)、電子光學(xué)等眾多方面存在著非常巨大應(yīng)用價(jià)值。
　　然

2、而，由于納米材料的尺寸及實(shí)驗(yàn)技術(shù)的限制，仍然有許多現(xiàn)象會(huì)被忽視，依然等待著人們的深入研究。例如等離子體的觀察研究中的很多現(xiàn)象，是表面等離子體的激發(fā)引起的，這種激發(fā)，是一種靠近金屬-絕緣體界面的導(dǎo)帶電子的集體運(yùn)動(dòng);在納米尺寸下，間距較近、具有尖銳結(jié)構(gòu)的金屬離子、結(jié)構(gòu)中（這些結(jié)構(gòu)中，光的衍射極限、光學(xué)特性的可調(diào)諧性被極度壓縮），有著許許多多與表現(xiàn)等離子體相關(guān)的電場(chǎng)極度增強(qiáng)效應(yīng)的現(xiàn)象。這些吸引人的特性已經(jīng)在不同的領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，比如表面增強(qiáng)拉曼

3、光譜學(xué)、生物傳感、等離子體波導(dǎo)以及癌癥治療等等。這些光學(xué)性質(zhì)很大一部分跟材料所處的系統(tǒng)有關(guān)，比如系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、成分、周圍介質(zhì)等等，特別地，當(dāng)貴金屬和光相互作用，會(huì)引起納米結(jié)構(gòu)表明的導(dǎo)帶電子激發(fā)，演變成一種稱為表面等離子振蕩（LSPRs）的相干振蕩（這種振蕩與頻率相關(guān)）。
　　類似于LSPRs這樣的金屬納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)，具有巨大的研究?jī)r(jià)值。通常，經(jīng)典的電動(dòng)力學(xué)可以很好的解釋介質(zhì)結(jié)構(gòu)的特性。然而，隨著被研究的介質(zhì)尺寸的減小，進(jìn)入納米級(jí)

4、，這種結(jié)構(gòu)可能只包含了幾個(gè)原子，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)結(jié)果出現(xiàn)了不可忽視的偏差。這種偏差，由于量子效應(yīng)的存在，用經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)研究方法不能夠準(zhǔn)確的解釋。即使是相對(duì)較大的尺寸中，也會(huì)發(fā)現(xiàn)此種偏差，只不過由于其他原因，這種偏差不是很明顯。
　　近年來，對(duì)于這種納米尺寸金屬結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性研究，有需多方法被使用，如利用Mie理論對(duì)經(jīng)典結(jié)構(gòu)（如球、柱結(jié)構(gòu)）的研究，使得電磁學(xué)更加嚴(yán)謹(jǐn)。本文將傳統(tǒng)的Drude模型進(jìn)行修正，使其具有空間色散特性，并

5、把這種光學(xué)特性稱為非局域(nonlocal)特性。并將模型引入到時(shí)域有限差分法(FDTD)中，得到一個(gè)完整的、系統(tǒng)的研究方法，對(duì)金屬納米材料的經(jīng)典、半經(jīng)典結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性進(jìn)行了研究。本文的研究對(duì)于亞波長(zhǎng)器件設(shè)計(jì)可以起著工具、參照等作用。
　　本文主要工作有:
　　1.貴金屬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的高效擬合。將經(jīng)典的Drude+Lorentz模型中介電常數(shù)表達(dá)方式進(jìn)行修改，加入空間色散特性，使其與波矢七相關(guān)，從而使介電常數(shù)與其相鄰結(jié)構(gòu)有關(guān)。進(jìn)

6、而精確描述貴金屬電磁特性。
　　2.將修改后的Drude+Lorentz模型引入到FDTD中進(jìn)行離散。得出含有修正色散模型的FDTD算法，及C++程序。實(shí)現(xiàn)了其數(shù)值模擬。
　　3.通過對(duì)經(jīng)典結(jié)構(gòu)的電磁模擬，將含有非局域特性的FDTD數(shù)值結(jié)果與解析結(jié)果相對(duì)比，驗(yàn)證本方法的可行性。這里，主要用消光截面進(jìn)行比較，因?yàn)樵诩{米尺寸下，吸收效應(yīng)占據(jù)著主要地位。
　　4.對(duì)半經(jīng)典一維、二維、三維納米結(jié)構(gòu)光學(xué)特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，通過改變