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表面增强拉曼散射指在特殊制备的一些金属表面或溶胶中,吸附分子的拉曼散射信号比普通拉曼散射信号大大增强的现象。最近几年有关SERS研究的文章和报道明显增多,其应用范围不断地拓宽,已经涉及到化学物理、材料表征、生物医学诊断等众多领域,然而拉曼增强效果受到一些物理和化学因素的影响。但是目前对这些因素的影响效果并不清楚,因此本文对影响拉曼增强的一些物理因素进行了计算,得到了一些结论。
时域有限差分法(Finite-Difference Time-DomaiN,FDTD)自Yee氏提出以来发展迅速,获得广泛应用。FDTD方法以元胞为空间电磁场离散单元,将Maxwell旋度方程转化为有限差分式而直接在时域求解,通过建立时间离散的递进序列,在相互交织的网络空间中交替计算电场和磁场。FDTD法不需任何导出方程,不需使用更多的数学工具,是对电磁场问题的最直接的数值模拟,现今已成为解决电磁场问题的一种最为有效的手段,结合计算机技术能处理十分复杂的电磁问题;在时间轴上逐步推进的求解,有很好的稳定性和收敛性,因此在电磁学各个领域倍受重视。
本文利用FDTD法,用完全匹配层的边界条件,对影响表面增强拉曼散射的条件进行理论分析。具体是用点光源作为激励源,用Drude模型和Debye模型,研究了不同入射波波长,两圆盘之间不同距离、不同半径和不同材料情况下介质圆盘之间的拉曼增强效应,主要取得了下面的结论:
(1)两种模型中,圆盘间距相同时圆盘半径对拉曼增强的影响是不同的。
(2)在两种模型中,在两个圆盘之间都出现两个增强峰,第一个增强峰随半径的增大,逐渐增大,并且和最强峰之间距离也是逐渐增大。第二个峰的增强效果更明显,随着圆盘之间距离的增大,两个增强峰都明显减弱,第二个峰值减弱的更快,当粒子之间距离达到70纳米时,两个增强峰的增强效果大体相当。然后选择了几种波长的光作为入射光,发现入射波波长越短时,增强效果越好。最后计算了材料分别为Ag、Au和Ni的圆盘的增强效果,发现银的增强效果最好。