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摘 要

在大气层内，紫外波段的辐射含量极低，紫外探测器在工作时基本不会受到背景噪声的干扰，也因此受到广大研究者的青睐，并在生物医疗、军事、航空航天等领域展现出巨大的应用前景。

近年来，宽禁带半导体作为紫外探测的主要材料，一直是该领域的研究热点，如何攻克宽禁带半导体在紫外探测方面的局限成为了影响紫外探测技术发展的一个要点。随着表面等离子体激元效应的发展，已有研究发现金属纳米粒子可以产生较强的局域场进而提高各个波段光谱的吸收效率。

本课题旨在通过有限时域差分法（FDTD）仿真确定一种可以增强日盲紫外波段吸收效率的金属材料，并深入研究不同因素对表面等离子体激元效应的影响。本文共针对金属材料、颗粒间距、颗粒大小以及颗粒分布四个影响因素的仿真实验。仿真结果显示，金银纳米颗粒分别在500nm、400nm波段有较强吸收，且两者在日盲紫外区域中均没有明显的吸收峰出现。铝纳米颗粒在204nm左右出现一个较大的吸收峰，且在可见光区域的吸收极其微弱。随着铝颗粒的间距由100nm增至300nm，吸收强度均下降了60%以上，峰位变化不明显。随着半径由10nm增至20nm，吸收强度均提升了140%以上，峰位红移4nm左右。保证颗粒的随机分布特性，保持密度不变，增大仿真面积，吸收曲线趋于稳定和一致。

关键词：表面等离子体，铝纳米颗粒，有限时域差分

ABSTRACT

In the atmosphere, ultraviolet radiation, especially in the solar-blind range, is extremely weak. The ultraviolet detectors are hardly affected by background noise during operation, so they are favored by many researchers. Ultraviolet detectors also show a wide application in some field, such as biomedical、military、aerospace and other fields.

In recent years, wide-bandgap semiconductor has been the main material for UV detection. It has always been concerned in this field, but how to overcome the limitation of wide-bandgap semiconductor has been the key point that will influence the development of UV detection technology. With the development of surface plasmon effect, it has been found that metal nanoparticles could generate strong localized fields and improve the efficiency of spectra absorption in different wavelength range.

This subject works to determine a metal material which will improve the efficiency of absorption in ultraviolet solar-blind by the way of time domain difference method(FDTD), and deeply researches all kinds of factors which will influence surface plasmon effect This article researches about material、particle gap、particle size and distribution, this four factors. From the simulation results, gold and silver respectively show the peak of spectra around 500nm and 400nm. Aluminum nanoparticles show a large absorption peak around 204 nm, and the absorption in the visible light region is extremely weak. An increase of particles gap from 100nm to 300nm will decrease the absorption of spectra by more than 60%, the position of peak doesn’t change obviously. As the radium of particle changes from 10nm to 20nm, the absorption increases by more than 140%, and the peak position red shift about 4nm. Moreover, particles are random, the density is kept constant, when the simulation area is increased, the curve of spectra absorption is more stable and consistent.

KEY WORDS: Surface Plasmon, Aluminum Particles, FDTD

目 录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 紫外探测概述 2

1.2.1 紫外探测的发展历史 2

1.2.2 紫外探测器的分类 2

1.2.3 LSPR在紫外探测中的应用 4

第二章 表面等离子激元 5

2.1 表面等离子体极化激元 5

2.2 局域表面等离子体共振 7

2.3 影响表面等离子体共振的因素 8

2.4 小结 9

第三章 方案设计和仿真结果 11

3.1 方案设计 11

3.2 金和银的吸收光谱 12

3.3 颗粒间距对光谱吸收的影响 12

3.4 颗粒大小对光谱吸收的影响 14

3.5 分布对光谱吸收的影响 17

3.6 实验验证 19

3.7 结论 20

第四章 总结与展望 22

4.1 总结 22

4.2 展望 22

参考文献 23

致 谢 25

绪论

引言

最初，光学探测器是基于吸收光谱的变化进行开发并用于测量氧气以及二氧化碳的浓度^[1]。随着一大批新型技术的涌现，如椭圆偏振技术、干涉技术，也有一大批新的仪器被制造出来^[2]。再到后来表面等离子激元共振现象被研究者发现。金属纳米颗粒（Nano-Particles）由于其表面传导电子的相干、集体振荡，可以在局部表面发生等离子体共振（Localized Surface Plasmon Resonance）^[3]。从经典力学的角度来看，它表现为一种受限的表面波。当在共振频率下受到光学激发时，会在纳米颗粒附近产生很强且具有局域性的电磁场。通过这种现象，光子可以被纳米颗粒强烈吸收和散射。其中共振的相关特性，例如频率等取决于金属纳米颗粒的材料，形状以及周围介质的折射率。基于以上事实，金属纳米颗粒展现出了吸引光子的性质，可以运用在各个方面。如具有高灵敏度的传感器，表面增强拉曼光谱等各种技术之上。随着近几十年来研究者通过不断地研究LSPR，在可见光的范围内，金和银的相关现象已经受到大量的研究。原因是金和银的介电常数使得它们在可见光范围具有表现优异的共振现象。其次它们比较稳定，无毒，且易于在实验中使用。

在近紫外的光谱范围内，即波长从100nm到400nm，这个波段电磁波的探测也十分具有前景。例如，有机生物分子在紫外波段的范围内会有强烈的吸收，所以紫外波段的表面等离子体增强的拉曼（Raman）光谱就有值得研究的地方，它在生物医疗上有着广泛的用处^[4]。就目前来说，紫外探测领域是十分具有吸引力和市场的。新兴的产业需要将纳米等离子体的运用扩展到这个范围的波长中。但是，金和银等金属在紫外波长范围内相较于可见光范围表现力会有所下降。而且现阶段只有少数关于紫外LSPR的研究，也就代表着这是一个刚刚起步的领域。根据之前在紫外波段的LSPR研究来看，有文献指出镓，铅和铝等金属都是适合于紫外探测的候选材料 ^[5]。然而铅具有毒性，不论是从器件的制备，抑或是人体安全等方面着想，铅都不是理想选择。金属镓的熔点较低(29.8℃左右），难以在器件上集成，制成的器件在高温下无法使用且性质不稳定。铝相对于前者就有很大的优越性。首先无毒，熔点高，其次铝的介电常数在紫外范围实部是负的以及虚部的值为正值而且相对较小，十分有利于在这个范围内激发表面等离子体共振^[6]。考虑其优良的光学性质，金属铝用来研究紫外LSPR是一个很不错的选择。

紫外探测概述

紫外探测的发展历史

紫外区域一般细分为以下区域：300nm到400nm的近紫外区域，300nm到200nm的中紫外区域，200nm到100nm的远紫外区域以及100nm到10nm的极紫外区域。

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