貴金屬納米顆粒傳感性質(zhì)研究

謝欣

摘?要：利用時(shí)域有限差分法（FDTD，F(xiàn)inite-Difference Time-Domain）算法仿真分析了純金，純銀的半球及球冠納米顆粒的LSPR（Localized Surface Plasmon Resonance）消光光譜。發(fā)現(xiàn)納米半球的材料和球冠尺寸會(huì)對(duì)光譜造成影響;消光峰位置的變化與環(huán)境折射率成線性關(guān)系;銀納米半球的折射率靈敏度大于金納米半球的靈敏度;球冠與平面的接觸角的改變會(huì)影響消光峰的位置。

關(guān)鍵詞：微納傳感;貴金屬顆粒;FDTD

當(dāng)納米顆粒的尺寸遠(yuǎn)小于入射電磁波波長(zhǎng)，且納米顆粒的自由電子往復(fù)振蕩的固有頻率與入射電磁波頻率一致時(shí)，所產(chǎn)生的表面電子集體振蕩大幅增強(qiáng)的現(xiàn)象稱之為局域表面等離子體共振（Localized Surface Plasmon Resonance，LSPR）;這種特殊波長(zhǎng)處的強(qiáng)烈的共振信號(hào)在特定場(chǎng)合中可以被傳感儀器檢測(cè)傳輸。本文利用FDTD solution仿真軟件，取常見(jiàn)的金、銀金屬材料，對(duì)半球結(jié)構(gòu)的納米顆粒的LSPR現(xiàn)象進(jìn)行了仿真分析，得到了納米半球顆粒在相應(yīng)變化條件下消光曲線的變化規(guī)律，為納米傳感的進(jìn)一步研究奠定了理論計(jì)算基礎(chǔ)。

1 仿真模型的介紹與環(huán)境參數(shù)設(shè)置

仿真模型如圖1所示：仿真的波長(zhǎng)范圍設(shè)置在300nm到800nm之間，為可見(jiàn)光范圍，為實(shí)驗(yàn)室常用光波方位。模型的光源為全場(chǎng)散射場(chǎng)光源（TFSF），該光源的優(yōu)勢(shì)是散射場(chǎng)的計(jì)算提前去除了光源直射部分，通常搭配PML（完美匹配層邊界條件），可以較好地仿真計(jì)算出模型的吸收截面積和散射截面積，二者相加得出消光截面積的值。

2 仿真與結(jié)果分析

2.1 同尺寸下不同介質(zhì)的金、銀納米半球的消光光譜

為了驗(yàn)證同等大小的金、銀納米顆粒在不同介質(zhì)環(huán)境中的LSPR消光曲線。假定金和銀納米顆粒半徑均為30 nm在不同折射率的介質(zhì)中，消光峰的位置隨折射率n的增大而逐漸紅移;在1.0-1.5介質(zhì)折射率范圍中任取五個(gè)值，計(jì)算得到分別對(duì)應(yīng)的消光峰波長(zhǎng)為405.42nm，480.15nm，488.073nm，502.15nm，525.58nm;作線性相關(guān)分析結(jié)果如圖2（b）所示，消光峰峰值波長(zhǎng)（nm）λ=171.06+233.54n根據(jù)計(jì)算得到折射率靈敏度為233.54nm/RIU。取同樣的仿真參數(shù)下得到金納米半球顆粒的消光曲線如圖2（c）所示。

取同樣的五種介質(zhì)折射率進(jìn)行計(jì)算，金納米半球消光曲線的消光峰波長(zhǎng)分別為：537.37、590.38nm、595.89nm、607.23 nm和627.11nm。其消光峰波長(zhǎng)與折射率的擬合直線如圖2（d）所示，消光峰波長(zhǎng)（nm）λ=363.86+172.01n;即半徑為30nm金納米半球的折射率靈敏度為172.01nm/RIU。銀對(duì)周圍介質(zhì)環(huán)境的改變反應(yīng)更靈敏，有助于傳感檢測(cè)性能的提高。

2.2 改變接觸角對(duì)銀球冠納米粒子消光光譜的影響

為了驗(yàn)證銀球冠納米顆粒取不同接觸角時(shí)的LSPR消光曲線。假定接觸角θ=90°時(shí)銀納米半球顆粒半徑為a=30 nm，介質(zhì)環(huán)境的折射率n分別為1（真空）。以此來(lái)銀球冠納米顆粒的LSPR現(xiàn)象對(duì)接觸角θ變化的規(guī)律，所得到的銀納米顆粒的消光曲線如圖4（a）（b）所示。在真空的介質(zhì)中，消光峰的位置隨接觸角θ的增大而藍(lán)移;通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的線性擬合發(fā)現(xiàn)，當(dāng)0<θ<90°時(shí)，消光峰波長(zhǎng)（nm）λ=604.2212.44θ;當(dāng)90°<θ<180°時(shí)，消光峰波長(zhǎng)（nm）λ=453.3510.57θ;后者的峰值波長(zhǎng)對(duì)接觸角θ的改變較不敏感，即形狀的微小變化不會(huì)對(duì)峰值波長(zhǎng)的位置有較大的影響。

3 結(jié)論

利用FDTD的計(jì)算方法，通過(guò)對(duì)銀納米半球粒子的消光光譜的計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)仿真同等大小的金、銀納米半球顆粒在不同介質(zhì)中的LSPR消光特性曲線的變化情況。結(jié)果表明，納米半球顆粒的LSPR消光峰lSPR波長(zhǎng)都與環(huán)境介質(zhì)的折射率變化有一定關(guān)系。在同等大小的情況下，銀納米半球顆粒的靈敏度大于金納米半球顆粒的靈敏度。且變化趨勢(shì)呈線性相關(guān)。半球納米顆粒是球冠納米顆粒的一個(gè)特例，當(dāng)球冠納米顆粒與平面接觸角的改變有線性關(guān)系，且接觸角在90°到180°之間的改變對(duì)峰值波長(zhǎng)的影響較0°到90°的影響小。通過(guò)調(diào)整球冠納米顆粒的接觸角可以達(dá)到調(diào)諧的目的。

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