外场作用下分子-金属纳米粒子复合体系的QM/ED组合计算方法及其应用

根据多体微扰理论，通过Schatz提出的多体项的Green's函数，耦合外场作用下，金属纳米粒子表面增强电场和分子诱导电场之间的极化效应，发展量子力学(QM)与经典电动力学(ED)相互耦合的组合计算方法和程序；然后采用组合的QM/ED方法研究在外场作用下，分子-金属纳米粒子复合体系（M-P）中，相互作用的分子和纳米等离子体的电子结构和光学性质；研究光子、分子和金属纳米粒子之间的协同作用机理，初步实现从分子到纳米尺度的电子结构和光学性能的多尺度计算模拟。并将该理论和计算方法应用于纳米生物传感器和染料敏化纳米晶体太阳能电池(DSSC)的设计中，通过改变分子的吸附位置、纳米粒子的几何形状和尺寸大小，调节表面等离子体共振峰（SPR） 的位置和强度，提高单分子表面增强拉曼散射效应（SERS）和太阳能电池的光吸收性能。

由于表面增强拉曼散射效应(SERS)，吸附于金属纳米粒子表面的分子的Raman信号比其体相分子显著增强，近年来，SERS技术被广泛应用于表面吸附、生物传感器和单分子检测技术中。本项目以黄曲霉素-银纳米粒子体系为例，从物理增强和化学增强两方面研究了分子-金属纳米粒子复合体系（M-P体系）中表面增强拉曼光谱的增强机理。通过Schatz提出的多体Green’s函数，将外场下金属纳米粒子的表面增强电磁场和分子电场之间的极化效应耦合起来，采用量子力学结合经典电动力学方法，研究了黄曲霉素分子吸附在银团簇的表面增强拉曼散射光谱和预共振拉曼光谱，研究了外加电场作用对黄曲霉素B1分子表面增强拉曼散射的影响，比较了外加电场和激发光场作用下的表面增强拉曼散射的增强因子，分析了表面增强拉曼散射的电荷转移增强、电荷转移共振增强和表面电场增强的机理。同时用改进的离散偶极子近似（DDA）方法，系统地研究了不同形状和尺寸的金、银纳米粒子阵列，TiO2支持的金、银纳米粒子的消光光谱和表面增强电场分布。设计了一些复杂纳米结构，研究了其中的等离子“杂化”效应和不对称纳米结构的Fano共振效应。通过改变纳米结构的尺寸和形状，可以获得了具有更大可调谐度、更大面积和更大强度的等离子体共振峰，有助于合成更适合于生物传感、分子探测、太阳能吸收转化以及表面增强拉曼散射技术的基底材料。