论著Thesis·１·
··研究与设计
基于DDA和FDTD算法的银纳米球
及其阵列LSPR现象分析
周张晓锋，
[摘要]
伟
目的：分析不同半径的银纳米球及其组合阵列的消光现象和耦合现象，探索局域表面等离子体共振（localized
方法：采用离散偶极近似surfaceplasmonresonance，LSPR）发生的原因。（discretedipoleapproximation,DDA）得到不同半
径银纳米球及其阵列的消光光谱及其消光效率（Q_ext）、吸收效率（Q_abs）和散射效率（Q_sca）等；在此基础上，利用时域
有限差分（finitedifferencetimedomain,FDTD）方法研究了双纳米球阵列的耦合作用及其电场分布。结果：对于单纳米粒子，随着半径的增大，散射效率占总的消光效率的比重增加。对于2个纳米颗粒，当入射光垂直于轴线，且纳米颗粒之间间距较小时，耦合的作用较大。对于纳米颗粒阵列，消光光谱的灵敏度与纳米颗粒的大小以及间距有关，当颗粒间距
大小、形状、很小的时候会出现多峰形式的消光谱。结论：LSPR与纳米颗粒的种类、阵列及所处的介质环境等有关。
[关键词]局域表面等离子体共振；离散偶极近似；时域有限差分；银纳米球[中国图书资料分类号]R318[文献标志码]DOI：10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.05.001
A
[文章编号]1003-8868（2014）05-0001-06
AnalysisofAgNanosphereandArray'sLSPRPhenomena
BasedonDDAandFDTDMethod
ZHANGXiao-feng1,ZHOUWei2
（1.ExperimentalInstrumentPlant,AcademyofMilitaryMedicalSciences,Beijing100850,China;
2.CollegeofInformationTechnicalScience,NankaiUniversity,Tianjin300071,China）
AbstractObjectiveToexplorethereasonofLSPRbyanalyzingdifferentradiusesofsilvernanoparticlesandtheircouplesandarrays.MethodsDiscreteDipoleApproximation(DDA)methodwasusedforsimulatingdifferentradiusandthearrayofsilvernanoparticles'extinctionspectraandextinctionefficiency(Q_ext),absorptionefficiency(Q_abs)andscatteringefficiency(Q_sca).FDTD(FiniteDifferenceTimeDomain)methodwasusedforthecouplingoftwonanoparticlesandsimulatingtheiraroundelectricfielddistribution.ResultsForsinglenanoparticle,withtheincreaseofradius,theQ_scaofQ_extgenerallyincreasedtheproportion.Forbothnanoparticles,whentheincidentlightwasperpendiculartotheaxis,smallerspacingbetweennanoparticleshadstrongcouplingeffect.Fornanoparticlearrays,thesensitivityofextinctionspectrahadrelationshipwiththesizeandspacingofnanoparticles,andtherewouldbemulti-modalformsofextinctionspectrumwhentheparticlespacingwassmall.ConclusionByanalyzingandcomparing,it'sconcludedthatLSPRphenomenonisrelatedtonanoparticlespecies,size,shape,thearrayandthemediaenvironment.[ChineseMedicalEquipmentJournal，2014，35（5）：1-5，10]
Keywordslocalizedsurfaceplasmonresonance;discretedipoleapproximation;finitedifferencetimedomain;Agnanoparticle
0引言
贵金属纳米颗粒（金或者银）等在入射光照下，如果入射光子频率与贵金属纳米颗粒传导电子的整体振动频率相匹配，纳米颗粒或金属岛会对光子能量产生很强的吸收作用，就会发生局域表面等离子体共振（localizesurfaceplasmonresonance，LSPR）现象。这种现象从18世纪法拉第研究胶体金开始被发
Mie提出了解释LSPR现象的Mie理现[1]。1908年，
论[2]。目前，基于LSPR现象的传感器被广泛研究，用
国家自然科学基金（60574091，60871028）；天津市科技攻关项基金项目：
目（06YFGPGX08700）；天津市自然科学基金（08JCYBJC12500）；天津市科技支撑计划（09ZCKFGX01200）
作者简介：张晓锋（1985—），男，主要从事电路与系统方面的研究工作，E-mail：zhangxf198504@。
作者单位：100850北京，军事医学科学院实验仪器厂（张晓锋）；300071
天津，南开大学信息技术科学学院（周
伟）
于药物检测、生物检测、细胞标记、定点诊断、分子动力学研究及疾病诊断等方面。这种传感器具有无需标记、实时、无污染、高灵敏度检测及所需样液少等优点。Mie理论简单实用，能很好地解决球形纳米颗粒的消光（分别包括吸收和散射）问题，但是不能解决复杂形状的颗粒以及颗粒之间的互相耦合作用及基底对纳米颗粒消光特性的影响问题。为此，各种数值计算理论和方法相继产生，如有限元法（finiteel－
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（rigor－、严格耦合波近似理论ementmethod，FEM）
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ouscoupled-waveanalysis，RCWA）、离散偶极近似
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法（discretedipoleapproximation，DDA）和时域有限
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差分法（finitedifferencetimedomain，FDTD）等。本文主要采用DDA及FDTD算法对银纳米球及其阵列进行分析，所得结论具有重要的参考价值。