非封闭负曲率表面对贵金属纳米结构表面等离体子共振的调控规律研究

计算具有突变型、渐变型非封闭负曲率表面的新月形、骨头形金纳米颗粒局域电场强度与方向的空间分布，得到表面电荷分布密度对曲率大小、正负性的依赖关系。建立适用于非封闭负曲率金属表面电子动力学特点的带电荷质点模型，通过求解表面电子集体振荡的运动微分方程确定新月形、骨头形金纳米颗粒的表面等离体子共振(SPR)频率随表面曲率变化的解析表达式，并在此基础上得到表面曲率的大小和正负性影响贵金属纳米颗粒SPR频率及耦合特性的物理机制，阐明正、负曲率表面交替出现及过渡类型对电子振荡动力学特征影响的物理机理。本项目的研究为认识更为复杂的具有负曲率表面金属纳米结构中SPR的物理特性提供了重要理论基础，对构建以可调控SPR金属纳米结构为基础的线性、非线性光电纳米器件，微型生物传感器具有重要的意义。

在建立了具有突变型、渐变型非封闭负曲率表面的新月形、骨头形金属纳米颗粒物理模型的基础上，结合准静电场理论分析与离散偶极近似、时域有限差分数值计算得到了银纳米新月和金纳米骨头表面等离体子共振（SPR）及局域电场分布特性随负曲率半径变化的调控规律和物理机理。发现纳米新月的内腔表面负曲率对particle SPR模式以及tip-cavity SPR耦合模式具有很强的调控作用。纳米新月负曲率表面的开放与关闭是particle SPR模式与对称SPR模式转换的转折点，并导致了SPR峰移动的方向变化。发现当入射场平行哑铃方向偏振时，长轴模式的SPR吸收峰随端头正曲率半径或腰部负曲率半径的减小而红移。腰部负曲率半径或端头正曲率半径的减小都会导致纳米哑铃形貌向纳米二聚体转变，此时相邻纳米球之间的局域电场增强。建立了具有封闭负曲率表面的单层及双层金纳米球壳模型。利用准静电场近似方法计算了不同负曲率半径条件下的吸收光谱和不同SPR共振频率下的局域电场分布。发现振荡的表面电荷总是沿着偏振方向集中在具有负曲率的金属表面，从而导致了局域电场的各向异性分布，并对金属表面间的SPR耦合以及金属壳之间的SPR耦合产生作用。研究了同心双金属纳米球壳、金-介质-银双金属三层纳米球壳、双层同轴银纳米管、金-介质-金-银双金属四层纳米球壳、铝-金双金属多层纳米球壳等具有负曲率界面的介质-金属多层核壳纳米结构的SPR特性；研究了金-银-金三层双金属纳米球壳、金核-银壳双金属纳米棒、银包裹金纳米立方等具有异质金属负曲率界面的核壳纳米结构基于SPR的光学特性，得到了贵金属纳米颗粒表面等离体子共振及局域场增强特性随颗粒几何参数、局域介电环境变化的调控规律和物理机理，以及与生物、化学分子相互作用的光谱规律。这些研究结果为进一步从介观体系的角度研究光与纳米结构相互作用的物理本质打下了基础，为基于表面等离体子共振、表面增强拉曼散射（SERS）和表面增强荧光（SEF）的单分子检测以及生物光学传感提供了理论支持。