金纳米颗粒在全血环境中近场增强特性

局域表面等离子共振不仅可以扩宽材料的光谱响应范围,还可以增强局部电场从而使待测分子的拉曼信号增强,在生命科学领域发挥着重要作用。本文建立了单个金纳米颗粒(gold nanoparticle,AuNP)和双个金纳米颗粒在全血环境中的模型,并采用三维有限元方法系统地研究颗粒尺寸、间隙以及全血消光系数对金纳米颗粒近场增强的影响。研究表明,在全血环境单个AuNP模型中,随着颗粒尺寸增大,共振峰红移。当颗粒尺寸为80 nm时,局部电场最大。相比于空气介质,在全血介质中的AuNP共振峰红移并且局域电场增强。全血的消光系数对局部电场的影响非常小,局部电场增强差异小于0.1 V/m。在全血环境双个AuNPs模型中,随着两颗粒间距减小,共振峰蓝移且局域电场明显增强。当两颗粒间距为1 nm时,拉曼增强因子可高达1011。该研究为全血环境中药物分子和生物标志物的表面增强拉曼散射灵敏性检测实验提供一定的理论指导。

椭圆截面金纳米管近场增强特性的研究

本文基于时域有限差分方法(finite difference time domain,FDTD)研究了入射光波长、入射光偏振方向、纳米管几何形状、管壁厚度及内核和包埋介质的变化对椭圆截面金纳米管近场分布特征的影响.研究发现,入射光波长为纳米管等离激元共振波长时,纳米管近场增强最大;入射光偏振方向与椭圆长轴夹角的增加会导致管内的场强迅速增大;椭圆管半短轴变大可以调节纳米管场强分布从两端高、中间低变化为均匀分布;内核和包埋介质介电常数的增大均会使得纳米管内部及周围场强逐渐减弱.

利用近场增强超快激光对天然蚕丝进行微纳加工

桑蚕丝因具有突出的力学性能、优异的光学特性和良好的生物相容性而备受关注.但目前尚缺乏对单根天然蚕丝进行纳米级加工的手段,因而限制了蚕丝在纳米工程等领域的应用.本文利用局部近场增强超快激光在蚕丝表面实现了纳米级加工,并进一步实现了纳米孔、纳米槽的制备以及对蚕丝的精密切割.形貌和成分测试结果表明,该方法在不破坏蚕丝关键分子结构模块和原有功能的前提下实现了最小宽度仅为64 nm椭圆孔的加工.此外,本文还将超快激光加工的蚕丝用于微纳颗粒、药物输运,预示了本方法在生物医学工程领域的广泛应用前景.本文所报道的近场增强超快激光加工方法不仅可用于蚕丝的纳米级加工,也有望在其他材料上实现高精度、可控制备功能性纳米结构.

苝聚集体随机激光的近场散射增强（英文）

本文通过物理模拟发现苝聚集体纳米粒子有很强的近场散射.苝聚集体由异丁基取代聚倍半硅氧烷(POSS)苝(DPP)构成,其理论模拟得到的近场散射增强被实验证实.同时,由聚集体的二硫化碳溶液激发出相干随机激光.近场增强源自于通过化学键连接的POSS基团,相干随机激光源自于苝发射团.本文通过分子设计发展出一种新的随机激光体系,为后续一系列交叉研究打开了大门,相关交叉研究主要涵盖无序光子学的分子设计等领域.

纳米增强表面等离子共振传感技术的研究进展

表面等离子体激元（SPPs）具有高度局域化和近场增强的特性,能突破光的衍射极限。正因为SPPs这种独特的性质,科研人员对此进行了广泛研究,提出了各种的器件与机理。本文以表面等离子技术为基础,从当前发展的较为成熟的多种SPR传感器、应用情况对表面等离子共振传感技术进行了回顾和讨论,旨在将这一领域相关研究成果及发展方向展示给读者。

纳米光学辐射传热:从热辐射增强理论到辐射制冷应用

热辐射作为一种无处不在的物理现象,对于科学研究和工程应用都具有重要意义.传统上对热辐射的理解主要是基于普朗克定律,它描述了物体通过辐射交换能量的能力.而近年来的研究表明,由于微纳光学材料在尺寸上远小于热辐射峰值波长,它们的热辐射性质往往很大程度上有别于传统黑体辐射理论所描述的宏观物体.更重要的是,微纳光学材料的热辐射性质可以通过改变它们的几何尺寸和微观构型进行定量的优化设计与精确调控.纳米光学材料与辐射制冷效应的结合,给热辐射效应在能源和环境等相关领域的应用提供了极具前景的应用价值.本文首先从热辐射的基本原理和规律出发,介绍纳米结构热辐射增强的发展进程和最新进展,包括二维材料间的近场热辐射机理以及尺寸效应导致的远场热辐射增强;其次,介绍了近年来纳米光学材料在辐射制冷应用中的重大进展,包括可以实现高效日间辐射制冷的各种纳米光学材料设计;最后,进一步介绍了日间辐射制冷的各种实际应用,包括建筑物制冷、冷凝水收集、舒适衣物与太阳能电池降温等.此外,展望了纳米光学材料的辐射制冷技术在推动荒漠生态环境的治理与改造方面的广阔未来.

表面等离子体增强硅电池光吸收的研究进展

局域表面等离子体共振(LSPR)是光照射金属纳米粒子而引起金属内的自由电子发生集体共振使粒子周围的近场增强。将LSPR应用于太阳能电池,会使陷光效率大大增加,而同时降低表面复合损耗和电池基底的厚度要求。文章从粒子的大小、形状、阵列模式的周期及粒子周围的介电环境对太阳能电池的陷光的影响,介绍了基于LSPR性质的表面等离子体硅太阳能电池的陷光机理及其影响因素,对相应的研究做了系统的综述。

置于不同基底表面的单一金纳米粒子的近场特性

本文采用时域有限差分方法仿真研究了金粒子在金属(金),半导体(硅)和电介质(二氧化硅)基底表面经飞秒激光激发后的近场(电场)特性。仿真结果表明,在三种基底条件下,基底表面的电场均被增强,但电场的强度、空间分布以及尺寸大小均取决于基底材料。在金属基底和半导体基底条件下,电场被局限在粒子与基底的接触点周围。由于基底材料的不同,导致能够产生最大增强因子的共振波长发生偏移。该研究对于调控增强因子,实现超衍射极限纳米结构的精细加工具有重要意义。

光散射中的anapole态:理论、结构以及应用

光散射中的anapole态是纳米光子学领域的一种独特的光学现象,可以用Mie理论以及多极展开理论进行分析。对于最常见的一阶电anapole态,其可以看做是由笛卡尔坐标系下电偶极矩和环偶极矩的干涉相消产生,具有典型的远场散射抑制和近场增强性能。本文首先对anapole态的基本概念和理论进行阐述,其次对激发anapole态的微纳结构进行总结,最后结合anapole态独特的光学特性,对其在近场增强、非线性光学、激光等方面潜在的光子学应用和最新研究进展进行了讨论和展望。

纳米环-七聚体金属-介电结构的多重Fano共振特性

为实现可调谐的多重Fano共振特性及设计高灵敏度折射率传感器,本文提出一种纳米环-七聚体金属-介电纳米天线结构,利用有限元方法(Finite Element Method,FEM)研究了Fano共振特性的影响因素和变化规律。研究表明,纳米环-七聚体金属-介电纳米天线的Fano共振特性对高度、入射角度和结构间隙的变化非常敏感;纳米天线的电场强度和电偶极源激发下的珀赛尔系数(Purcell factor,PF)可达134.74 V/m和3214,使得纳米天线中心位置附近的电场强度得到大幅增强;复合纳米天线结构具有较高的灵敏度S和品质因数FOM,分别为1400 nm/RIU和17 RIU^(-1),可作为评价高灵敏度折射率传感器的重要性能指标。本文为实现复合纳米天线结构中Fano共振的可调谐特性提供了一种可行途径,为表面增强拉曼散射、量子发射器和折射率传感器等实际应用奠定了坚实的理论基础。

劈裂纳米环多极表面等离激元共振及折射率传感特性分析

研究了在三开口劈裂金属纳米环中,当入射场偏振方向不同时出现的多极局域表面等离激元共振现象及折射率传感特性。研究表明,当入射场偏振方向分别沿x轴和y轴时,在可见光-近红外区域分别激发起两个和三个明显的共振峰。通过改变缺口的张角,能够实现对共振峰位和强度的可控调整。共振峰位处劈裂纳米环的近场分布表明,LHA(左半弧)和DRHA(双右半弧)之间等离激元的杂化耦合是形成上述共振的原因。劈裂纳米环的多极共振非常适合折射率传感应用。当改变周围环境折射率,入射场沿x轴偏振时,折射率敏感度的最大值可达到1365nm/RIU;入射场沿y轴偏振时,折射率敏感度最大值可达2229nm/RIU。

非线性太赫兹超材料研究与展望

针对非线性太赫兹超材料很难实现这一科学问题,解释了超材料微结构的近场增强效应产生机理,概述了该效应在光波段、红外波段和太赫兹波段的研究现状,总结得出近场增强效应对非线性效应的实现十分有利,进而提出利用超材料微结构的近场增强效应提高石墨烯的非线性效应。该方法为可调谐非线性太赫兹调制器件的设计提供了新的思路。

金纳米结构等离激元强度的影响因素

等离激元具有超衍射极限汇聚,极高的近场增强强度等特点,受到广泛的关注并应用。纳米结构中等离激元的近场分布与近场强度在很大程度上影响着等离激元器件的作用效果与范围。本文研究金Bowtie纳米结构表面等离激元强度与多种控制因素之间的关系,通过对不同控制因素作用下纳米结构等离激元近场强度的模拟,更好地调控结构等离激元近场强度,促进等离激元纳米结构的发展。

自组装银膜增强8-羟基喹啉铝(Alq_3)光致发光的实验和理论研究

实验和理论研究了不同自组装密度的银纳米颗粒膜对8-羟基喹啉铝(Alq_3)光致发光的影响,结果表明:Alq_3光致发光的表观增强和发射增强因子与银纳米颗粒膜密度呈正相关关系,最大值约为3.2和13;理论计算表明银纳米颗粒膜对Alq_3光致发光的量子效率和发射的最大增强因子约为1.4和15,对比实验和理论结果,金属纳米颗粒膜的近场场强增强是导致Alq3光致发光发射强度增强的主要因素,且Alq_3光致发光效率与Alq_3相对银纳米颗粒的分布和"热点"区域面积覆盖率有关。

表面等离激元光栅在高灵敏红外探测器中的应用

金属中大量自由电子可以与电磁波耦合在金属表面形成表面等离激元(Surface Plasmon Polariton,SPP),能够将光辐射能量有效耦合并束缚在金属表面,在近场范围内形成显著的场增强效应.基于金属周期性结构形成的表面等离激元光栅在利用近场场增强效应的同时,可以灵活设计共振波长,因而在高灵敏红外探测器研发中得到广泛应用.采用半导体双量子阱(Quantum Well,QW)结构的电荷敏感型红外光晶体管探测器(Charge Sensitive Infrared Phototransistor,CSIP)是一种新型的高灵敏度红外探测器,它利用光敏浮栅(Photo-Gating)效应实现红外光电转换过程的倍增效应,因而具有波长可调、灵敏度高、光响应率高等优点.本文综述了表面等离激元光栅在CSIP红外探测器件中的设计和应用的研究进展,阐述金属孔阵列光栅的光耦合物理机制和场增强效果、偏振转换效率等特性,通过设计优化的表面等离激元耦合结构,提升CSIP器件光耦合量子效率,然后阐述了CSIP红外光探测器的生长结构、工艺流程,结合荧光谱测试、电流-电压(Current-Voltage,I-V)测试、慢步进扫描光谱测试等技术展示CSIP红外光探测器光电探测性能.最后进一步展望了SPP耦合CSIP高灵敏红外探测器的未来发展和应用研究趋势.