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Ag纳米结构的局域表面等离激元共振模拟和分析

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简介：
本研究聚焦于通过计算机仿真技术探讨Ag纳米结构中的局域表面等离子体共振特性，旨在优化其在纳米光子学、传感及生物医学成像领域的应用。 金属纳米材料由于其独特的局域表面等离激元共振（LSPR）特性，在半导体材料发光、太阳能电池、表面增强拉曼散射探测以及光电化学等领域得到了广泛应用。银（Ag）因其在特定波段具有极低的吸收损耗，被认为是优秀的LSPR候选材料之一。本研究以圆柱形Ag纳米结构为对象，采用时域有限差分法（FDTD），系统地模拟和分析了其近场局域增强及远场散射特性。研究表明，Ag纳米结构的尺寸、间距以及衬底折射率均会对LSPR效果产生显著影响，并且可以通过调整这些参数来调控Ag纳米结构的LSPR特性。

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  • Ag纳米结构的局域表面等离激元共振模拟和分析
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    本研究聚焦于通过计算机仿真技术探讨Ag纳米结构中的局域表面等离子体共振特性，旨在优化其在纳米光子学、传感及生物医学成像领域的应用。 金属纳米材料由于其独特的局域表面等离激元共振（LSPR）特性，在半导体材料发光、太阳能电池、表面增强拉曼散射探测以及光电化学等领域得到了广泛应用。银（Ag）因其在特定波段具有极低的吸收损耗，被认为是优秀的LSPR候选材料之一。本研究以圆柱形Ag纳米结构为对象，采用时域有限差分法（FDTD），系统地模拟和分析了其近场局域增强及远场散射特性。研究表明，Ag纳米结构的尺寸、间距以及衬底折射率均会对LSPR效果产生显著影响，并且可以通过调整这些参数来调控Ag纳米结构的LSPR特性。
     
  • 表面等离子共振
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    表面等离子共振是一种利用光折射原理来研究分子间相互作用的技术，主要用于分析生物大分子之间的结合特性及动力学参数。 表面等离子体（SP）是一种特殊的电磁波模式，在金属与介质界面附近形成，并由光与自由电子相互作用产生。当入射光的频率使得自由电子发生集体振荡并与光场共振时，这些振动会产生一种独特的波动现象——即表面等离子体激元（SPPs）。这种激发产生的波动在传播过程中具有有限的距离，在金属和介质界面处电磁场强度最大，并且随着远离该界面的方向呈指数衰减。 **表面等离子体的原理** 当光照射到介电常数为负值的金属与正值介电常数的介质之间的界面上时，自由电子会以特定频率集体振荡。这种相互作用产生了一种特殊的电磁波模式——SPs。SPs的特点是其传播速度大于一般光线，并且垂直于表面方向上的场强随距离迅速衰减。 **表面等离子体的基本特性** 1. **SPP的色散关系**: SPP的传播可以通过它们独特的色散曲线来描述，该曲线与光波在金属和空气界面处的表现不同。存在一个特定频率——称为表面等离子体频率——在此频率下，SPPs开始形成。 2. **SPP的波长**: SPP的波长取决于电子振荡周期，并可以通过计算得到。设计纳米结构时需要考虑这一点来有效调控这些模式的行为。 3. **传播距离**: 由于能量损耗，SPP沿表面方向上的传播是有限制的。定义为电磁场强度衰减到初始值1/e的距离称为有效长度或传播距离。这一特性受光频率的影响：较低频对应较长波长和更远的有效长度。 4. **穿透深度**: SPP在金属与介质中的穿透深度决定了设备可以实现的最小尺寸，这对于设计基于SPP技术的产品至关重要。 **激发表面等离子体激元的方式** 由于直接通过入射光线难以满足动量匹配条件来产生SPPs，通常需要采用特殊结构如波导、光栅或棱镜来诱导这种模式。例如，在特定条件下，边界处的消逝场可以用来激发这些特殊的电磁波动。 SPP的应用广泛多样，涵盖了生物传感、化学检测和集成光学等领域。随着纳米技术的进步，对这一现象的研究越来越深入，并在新型微小尺度上的光学控制及光子器件设计中展现出巨大潜力。
     
  • 金纳米球与银纳米线耦合结构中量子点的荧光自发辐射增强及表面等离激元传导
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    本研究探讨了金纳米球和银纳米线复合材料对量子点发光效率的影响，分析了表面等离激元在该体系中的传播特性。通过实验观察到显著的荧光自发辐射增强效应，并对其物理机制进行了深入解析。 通过使用原子力显微镜（AFM）、荧光显微成像系统以及时间分辨单光子计数（TCSPC）系统，我们对金纳米球(AuNS)-银纳米线(AgNW)耦合结构内部的量子点自发辐射增强和表面等离激元(SPP)传导特性进行了研究。实验中采用了两种方法来实现金纳米球与银纳米线之间的结合。 第一种方式是将含有金纳米球和量子点混合溶液以及单独的银纳米线溶液依次涂覆到二氧化硅（SiO2）基片上，寻找随机出现的AuNS-AgNW耦合结构。第二种方式则是利用AFM技术在SiO2基板上进行可控操作来实现两者的结合。 通过这种结合策略，我们观察到了量子点自发辐射速率的最大增强因子达到了611，并且还发现了被加强后的荧光激发SPP沿着银纳米线传导的现象。此外，使用COMSOL Multiphysics仿真软件对不同位置和偏振的量子点在金纳米球-银纳米线耦合结构附近的自发辐射速率增强了进行计算模拟，结果表明这种结合方式能提供更高的增强因子相较于单一的金纳米球或单独一根银纳米线的情况。我们也通过数值分析了由量子点激发产生的SPP场分布情况，并且发现这些理论预测与实验观察高度一致。
     
  • COMSOL软件计算Au纳米颗粒表面等离激元电子能量损失谱示例
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    本示例使用COMSOL软件探讨了Au纳米颗粒中表面等离激元现象，并详细计算和分析其电子能量损失谱，为表面光学研究提供理论支持。 21.4 计算实例 下面计算有效焦距为 400mm 的复消色薄透镜的光焦度，采用玻璃参数如表 21.1 所示，ijP∆ 值见表 21.2。将这些数据代入公式（21.13）： \[ \frac{P_{32}}{\gamma_3} + \Delta P_{21}\left(\frac{0.75}{\gamma_1^{}} - \frac{0.75}{\gamma_2^{}}\right) = 0.174722 + (-0.249771) + 0.348983 - 0.07551 = -0.07551 \] \[ P_{32} \Delta \gamma_1^{}\left(\frac{P_{32}}{\gamma_3}\right)\bigg/\left(-\Delta P_{21}(0.75) + 0.75\right)= -0.07551 / (-0.07551) = 1 \] \[ \varphi_1 = -P_{32} \frac{\Delta \gamma_1^{}}{f_1} = -(-4368)\left(\frac{-\Delta P_{21}(0.75)}{0.75}\right) / (-0.07551) = 0.0025 \] \[ f_1 = \varphi_1^{-1} = 4096/(-4368)(-75)/(-\Delta P_{21})= -f_1/(P_{32}\times(75/\gamma))=-\frac{4096}{-\left(\frac{-75 \times -4368}{-0.07551} \right)} = 172.869mm \] 用相同的方法可以求解公式（21.14）、（21.15）： \[ f_2 = 1/(-\varphi_2) = -f/(P_{32})= -0.008269^{-1} = 120.927mm \] \[ f_3 = 1/\left(\frac{P_{32}}{\gamma}\right)= (-\Delta P_{21}(75)/(-f))=-0.011554^{-1}= -86.548mm \] 图中展示的是复消色透镜的结构（注意：三个透镜光焦度之和等于 0.0025）。
     
  • 【项目代码】基于Matlab的表面等离子体共振模拟，精确确定共振峰位置
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    本项目利用Matlab开发了表面等离子体共振（SPR）的高效模拟工具，旨在通过算法优化准确计算共振峰的位置，为生物传感技术提供强有力的数据支持。 表面等离子体共振的Matlab模拟可以计算出共振峰的准确位置。
     
  • 【项目代码】基于Matlab的表面等离子体共振模拟，可确定共振峰精确位置.rar
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    本项目提供了一种利用Matlab进行表面等离子体共振（SPR）现象数值模拟的方法。通过该工具可以准确地定位和分析共振峰的位置，为生物分子相互作用研究及传感器开发提供了有力支持。 【项目代码】表面等离子体共振的Matlab模拟，可以计算出共振峰的准确位置.rar
     
  • 光纤表面等离子体共振传感器技术
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    光纤表面等离子体共振（SPR）传感器技术是一种先进的光学传感方法，通过检测光波与金属界面相互作用的变化来精确测量生物分子间的反应过程。该技术以其高灵敏度和实时监测能力，在生化分析、医疗诊断及环境监控等领域展现出广阔的应用前景。 光纤表面等离子体共振（SPR）传感是当前光纤传感领域的一个研究热点。本段落详细探讨了各种类型的光纤SPR传感器及其优点，并分析了金属膜层的材料、厚度，镀膜光纤长度以及双层金属膜组合与厚度比例等因素对传感器性能的影响。文章还总结了光纤SPR传感器的研究进展及应用情况，包括多模和单模光纤SPR传感器、基于布拉格光栅（FBG）、倾斜光纤光栅以及长周期光纤光栅的SPR传感器；此外还有多通道光纤SPR传感器、光子晶体光纤SPR传感器和纳米金属颗粒修饰的光纤SPR传感器。最后，文章指出了未来研究的重点方向和发展趋势。
     
  • Fortran编写的二维FDTD代码用于表面等离子体激元电磁模拟_下载
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    本资源提供了一套基于Fortran语言开发的二维时域有限差分（FDTD）仿真程序，专门针对表面等离子体激元的电磁现象进行高效建模与分析。 该 shell 脚本运行编译器、执行命令、绘制输出文件并以设定的帧速率生成动画电影。此 Fortran 代码包含主程序以及有关数值解的主要例程，包括单元号和文件名、数据文件的写入格式及传播例程。为避免磁盘延迟，文件将存储在临时文件系统中。更多详情与使用方法，请下载后查阅 README.md 文件。
     
  • 光纤表面等离子体共振传感技术研究
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    本研究聚焦于光纤表面等离子体共振（SPR）传感技术的发展与应用，探讨其在生物、化学检测及环境监测中的潜力和优势。 光纤表面等离子体共振（SPR）传感是当前光纤传感领域的一个重要研究方向。本段落详细探讨了不同类型的光纤SPR传感器及其结构优点，并分析了影响其性能的各种参数，如金属膜层的材料选择、膜层厚度、镀膜光纤长度以及双层金属膜的不同组合和比例等。此外，文章还概述了近年来在多模光纤SPR传感器、单模光纤SPR传感器、光纤布拉格光栅SPR传感器、倾斜光纤光栅SPR传感器、长周期光纤光栅SPR传感器、多通道光纤SPR传感器、光子晶体光纤SPR传感器和纳米金属颗粒光纤SPR传感技术方面的研究进展与应用。最后，文章指出了未来该领域内的重点研究方向和发展趋势。