發(fā)布時間：2017-10-04 03:36

  本文關(guān)鍵詞：基于FDTD方法的半經(jīng)典納米結(jié)構(gòu)電磁特性研究

  更多相關(guān)文章： 時域有限差分法 金屬納米結(jié)構(gòu) 消光截面

【摘要】：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。本文研究的納米結(jié)構(gòu)材料,就是當(dāng)下的熱點之一。納米結(jié)構(gòu),是指以本身有一維度尺寸達(dá)到納米級,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)。因為實驗技術(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)用價值。然而,由于納米材料的尺寸及實驗技術(shù)的限制,仍然有許多現(xiàn)象會被忽視,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；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),具有巨大的研究價值。通常,經(jīng)典的電動力學(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,這種結(jié)構(gòu)可能只包含了幾個原子,實驗數(shù)據(jù)與經(jīng)典電動力學(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)典電動力學(xué)研究方法不能夠準(zhǔn)確的解釋。即使是相對較大的尺寸中,也會發(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,并把這種光學(xué)特性稱為非局域(nonlocal)特性。并將模型引入到時域有限差分法(FDTD)中,得到一個完整的、系統(tǒng)的研究方法,對金屬納米材料的經(jīng)典、半經(jīng)典結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性進(jìn)行了研究。本文的研究對于亞波長器件設(shè)計可以起著工具、參照等作用。本文主要工作有：1.貴金屬實驗數(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k相關(guān),從而使介電常數(shù)與其相鄰結(jié)構(gòu)有關(guān)。進(jìn)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。實現(xiàn)了其數(shù)值模擬。3.通過對經(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)果相對比,驗證本方法的可行性。這里,主要用消光截面進(jìn)行比較,因為在納米尺寸下,吸收效應(yīng)占據(jù)著主要地位。4.對半經(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,通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)、二維與三維結(jié)果交叉對比,分析影響非局域特性的主要因素,得出非局域特性的一般性特點。
【關(guān)鍵詞】：時域有限差分法 金屬納米結(jié)構(gòu) 消光截面
【學(xué)位授予單位】：安徽大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TB383.1
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 引言9-13
• 1.1 研究背景9
• 1.2 簡述納米結(jié)構(gòu)光學(xué)特性9-11
• 1.3 數(shù)值方法的簡述11-13
• 1.3.1 矩量法11
• 1.3.2 有限元法11-12
• 1.3.3 邊界元法12-13
• 第二章 時域有限差分法的基本原理13-27
• 2.1 Maxwell方程組和Yee元胞13-17
• 2.2 二維直角坐標(biāo)系中的Maxwell方程組的差分形式17-19
• 2.3 數(shù)值穩(wěn)定性19-21
• 2.4 吸收邊界條件21-23
• 2.5 激勵源23-24
• 2.6 計算區(qū)域的劃分和源的加入24-26
• 2.7 本章小結(jié)26-27
• 第三章 非局域特性27-35
• 3.1 建立模型27-28
• 3.2 光學(xué)截面定義28-30
• 3.3 金屬的非局域特性30-31
• 3.4 迭代公式31-34
• 3.5 本章小結(jié)34-35
• 第四章 一維、二維半經(jīng)典納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性35-55
• 4.1 經(jīng)典納米結(jié)構(gòu)的研究36-44
• 4.1.1 傳輸特性36-39
• 4.1.2 二維獨立納米線的光學(xué)特性39-42
• 4.1.3 二維納米結(jié)構(gòu)組成的系統(tǒng)42-44
• 4.2 二維半經(jīng)典納米結(jié)構(gòu)44-49
• 4.2.1 尺寸的影響45-46
• 4.2.2 距離的影響46-47
• 4.2.3 襯底厚度的影響47-48
• 4.2.4 不同形狀的襯底納米線48-49
• 4.3 二維包層49-50
• 4.4 球殼模型50-53
• 4.4.1 固定厚度51-52
• 4.4.2 固定比例52-53
• 4.4.3 變化厚度53
• 4.5 本章小結(jié)53-55
• 第五章 三維經(jīng)典、非經(jīng)典納米結(jié)構(gòu)的非局域特性55-64
• 5.1 三維經(jīng)典納米結(jié)構(gòu)的非局域特性研究55-58
• 5.1.1 納米金屬球55-56
• 5.1.2 三維半經(jīng)典納米結(jié)構(gòu)的非局域特性56-58
• 5.2 三維納米結(jié)構(gòu)組成的系統(tǒng)58-59
• 5.3 環(huán)結(jié)構(gòu)59-63
• 5.3.1 固定內(nèi)徑r60-61
• 5.3.2 固定比例61-62
• 5.3.3 變化內(nèi)徑r62-63
• 5.4 本章小結(jié)63-64
• 第六章 總結(jié)與展望64-65
• 參考文獻(xiàn)65-70
• 致謝70-71
• 攻讀碩士學(xué)位期間的研究成果71

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：968447