FDTD模拟金海胆结构的局域等离子体共振

田翠锋，刘红梅，王 萍，孙 祝

（山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同037009）

FDTD模拟金海胆结构的局域等离子体共振

田翠锋，刘红梅，王 萍，孙 祝

（山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同037009）

利用了Finite-Difference Time-Domain方法,对金海胆结构的局域等离子体共振进行了研究。分别考虑了空心和刺的尺寸，刺的分布及介电环境因素对共振峰的贡献。结果将使人们更深入地理解级次纳米结构与局域表面等离子体共振之间相互关系，为光学技术和生物传感器方向提供有益参考。

贵金属纳米材料；时域有限差分；局域等离子体共振；表面增强拉曼散射

自从1902年Wood等人[1]发现了表面等离子体共振的电磁现象以来，表面等离子体共振现象就受到了物理、材料、生物等研究领域的广泛关注[2-3]。其中局域等离子体共振（LSPR）的增强特性以及共振峰的可调性，在催化、生物传感器、医学成像、表面增强拉曼散射（SERS）等方面得到了广泛的应用[4]。早期的研究集中在局域等离子体共振的灵敏性增强，通过改变金属单颗粒尺寸、形貌、极化等因素实现LSPR的增强[5]。后来研究者发现，通过单颗粒耦合（二聚体、阵列[6]等），场增强得到进一步提高。例如，Pasquale等人研究了相同直径纳米圆柱形成的项链状结构[7]，随着颗粒数（颗粒间隙25 nm）的增加，相应的项链直径变大，环局域光子共振有效耦合成宽频等离子体模式，SERS检测的灵敏性增大。目前，研究者更多地关注具有丰富间隙、褶皱和刺状结构的基底，因为如果颗粒曲率增大，金尖端的电场强度大约是球形的25倍[8]。构筑丰富尖端和尖端耦合可以提高场增强（～106）[9]。级次纳米结构，在微纳米结构的表面生长丰富的较小纳米颗粒或者纳米尖刺，这种结构的基底增强因子可以达到107以上[10-11]。很明显，这些研究结果说明了调控贵金属纳米材料的微观结构有利于提高LSPR的灵敏度。

另外，由于贵金属纳米颗粒d-d能级跃迁的LSPR共振峰在可见光波段范围内，并且金具有生物兼容性等特点[12]，因此，本文采用时域有限差分方法设计金海胆结构模型并研究了金海胆结构的几何分布及介电环境等对于局域表面等离子体共振峰的影响。

1 模型及光学参数

使用FDTD模拟金海胆结构的消光谱，几何构型如图1所示，金海胆结构包括空心（直径d）、金球壳（直径D）及外围金刺（长短L）。全场散射场光谱（200～1000 nm）沿着z轴照射，极化方向为x轴，金海胆结构周围及空心部分是空气(n0=1.0)，金的介电常数参照文献[13]。

图1 金海胆结构的几何构型及坐标示意图

2 计算结果与讨论

图2 不同空心球直径的金壳消光谱

图2为空心结构对局域等离子体共振峰的影响，实心金颗粒（100 nm）或者是空心直径较小时，峰位几乎相同（531 nm），随着空心直径增大，峰位红移（531 nm-554 nm-727 nm）。并且d=90时，出现了一个新的共振峰（613 nm），原因可能是内外半径差（5 nm）小，内外径等离子体共振耦合模式也称杂化效应[14]。

图3 金刺长短不同的金海胆结构消光谱

图3金刺长短对局域等离子体共振的影响，固定金颗粒（100 nm）和空心直径（30 nm）及刺间隙（5 nm），变化金壳外面的金刺长度，当刺长由5 nm增到20 nm时，我们看到531 nm处的共振峰逐渐消弱，壳部分共振减弱，光集中吸收到刺的分布区域，这与颗粒曲率有关。当刺长为10 nm时，在650 nm处有一个共振峰，随着刺长增加，20 nm长的刺对应713 nm共振峰，刺的局域等离子体共振峰向红波方向移动。另外，刺长为10 nm和15 nm时，消光谱有一个较弱的峰（分别在713 nm和764 nm），为耦合模式。

图4 三种金刺分布的消光谱

图4为金刺分布对局域等离子体共振的影响，我们设计了三种分布：偶层分布、分散分布和集中分布，偶层分布为一层短刺（10～15 nm）和一层长刺（20～25 nm）交替生长，从金球顶端即θ=0°三种分布各自都有三个共振峰，516 nm峰归属于金壳，较短的刺贡献了553 nm左右的峰，600 nm后面的峰为长刺的局域峰。与y轴垂直的平面内，长刺越集中在xz平面附近，长刺耦合几率越大，因此共振峰有红移现象。分散分布与偶层分布相比，分散分布每层都会有长刺，且长刺与长刺耦合的间距小于偶层分布的间距，这样耦合几率高于偶层分布，所以峰向红波方向移动，并且共振峰宽化。

图5 三种介电环境下的金海胆结构消光谱

为了理解介电环境折射率对金海胆结构共振峰的影响规律，我们分别选择了三种介电环境：空气（n=1）、水（n=1.33）和四氯化碳（n=1.46）。如图5所示，随着折射率增大，金海胆结构的共振峰发生红移现象，其中在水溶液中的峰在936 nm。贵金属单颗粒在水溶液的共振信息，为生物传感设计一定的参考。

3 结论

我们使用Finite-Difference Time-Domain方法，模拟了金海胆结构的几何构型及介电环境折射率的局域等离子体共振，通过变化刺尺寸及分布来调节共振峰位，获得了金海胆结构的局域等离子体共振的峰位归属以及红移规律，这些研究结果可以深刻理解光与级次贵金属结构的相互作用，进而为纳米结构的设计制备指明方向，另外，等离子体共振信息为生物医学等领域提供有益参考。

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FDTD Simulation of the Gold Urchin-like Nanoparticles for the Localized Surface Plasmon Resonance

TIAN Cui-feng,LIU Hong-mei,WANG Ping,SUN Zhu
(School of Physics&Electronic Science,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009)

We analyzed the Localized surface Plasmon resonance(LSPR)of Au urchin nanostructures with Finite-Difference Time-Domain(FDTD)method by controlling the size,the distribution of nanotips and background index.The results of the FDTD calculation will lead to a better understanding of the relationship between the hierarchical nanostructures and the local surface plasmon resonance,providing a useful reference for the optical technology and biological sensors.

noble-metal nanomaterials;finite difference time-domain;localized surface plasmon resonance;surface-enhanced Raman scattering

O469

A

1674-0874(2017)06-0025-03

2017-09-06

国家自然基金[11304188]；山西省自然科学基金[201701D121038]；山西大同大学博士启动基金[2014-B-02]

田翠锋(1973-)，女，山西怀仁人，博士，副教授，研究方向：凝聚态物理。

〔责任编辑 高彩云〕