DDSCAT金属纳米结构的光学性质研究(2)
其中，E为电场强度，D为电矢量，H为磁场强度，B为磁感应强度，j为电流密度，ρ为电荷密度。光学是一门有着悠久历史和强大生命力的学科，很多科学领域的基础理论都是通过光学实验得到验证，如黑体辐射、氢的原子线和光电效应等等。由于光子的能量与物质中电子及振动的跃迁能量可比，因此通过光谱研究，我们可以获得物质的结构和动力学的信息以及探测和操纵物质的量子态，这种手段在今天已得到广泛应用[1]。
1959年，美国物理学家、诺贝尔奖获得者Feynman R P在美国加州理工学院召开的美国物理学学会上预言：人类可以用小的机器制作更小的机器，最后实现根据人类意愿逐个排列原子及制造产品[2]。1981年，瑞士苏黎世IBM实验室的Rohrer H和Binnig G在研究导体之间的电子隧道效应的过程中，发明了扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscopy，简称STM）[3]。STM拥有原子级的空间分辨率，就如同人的“眼”和“手”，可直接看见和触摸原子。1989年,美国加州IBM实验室的Eigler D M博士使用低温（low temperature，简称LT）、超高真空（ultra-high vacuum，简称UHV）条件下的STM将35个Xe原子操纵排布成了当时世界上最小的IBM商标，实现了直接操纵单个原子的梦想[4]。1990年，第一届国际纳米科学技术会议与第五届国际STM会议在美国巴尔的摩召开，在这次会议上，纳米科技（Nanotechnology）正式诞生[5,6]。
图1.1(a)、(b)及(c)分别为诺贝尔奖获得者Feynman R P、Rohrer H及Binnig G；(d)
Rohrer H与Binnig G搭建的STM得到的Si(111)-7×7表面原子分辨图像[3]；(e)Eigler D M
使用LT-UHV-STM将35个Xe原子排布的IBM商标[4]。
纳米（nanometer，10-9m，简称nm）是一种空间尺度长度单位，等于几个原
子排列起来的长度。对宏观物质来说，纳米是一个很小的单位：人的头发丝的直
径一般为7000~8000 nm，人体内红细胞的直径一般为3000~5000 nm，而一般病毒的直径也在几十至几百纳米之间。
纳米材料（Nanomaterials）是指特征尺寸在1~100 nm之间，具有区别于常规块材的特殊物理化学特性的材料，也被称为超微颗粒材料。我们知道，电子具有波动性，宏观材料的物理性质是由材料中大量电子的统计行为决定的，电子的波动性表现不明显；而纳米材料的尺寸在某一个方向或几个方向可以与其电子的费米波长相比拟，因而体系中的电子在这些方向的运动将受到限制，电子的波动行为会明显表现出来[5,6]。
图1.2列出了不同文度材料的结构示意图及电子态密度曲线。三文的常规体材料的电子态密度是连续分布的；二文薄膜材料如量子阱和超晶格等，电子态密度分布演变成台阶状；一文纳米材料如纳米线、纳米管等，电子态密度呈锯齿状；零文纳米材料如纳米颗粒和量子点中，电子态密度分布与原子的孤立能级类似。此外，尺寸的限制也使得材料中的电子态、元激发和各种相互作用增强。因此，纳米材料表现出明显的表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应及量子尺寸效应，它的光、热、电、磁、力学以及化学方面的性质与体材料相比有显著不同[5,6]。
图1.2不同文度材料的结构示意图及电子态密度曲线。三文的常规体材料的电子态密度是
连续分布的；二文薄膜材料如量子阱和超晶格等，电子态密度分布演变成台阶状；一文纳
米材料如纳米线、纳米管等，电子态密度呈锯齿状；零文纳米材料如纳米颗粒和量子点中，
电子态密度分布与原子的孤立能级类似[5,6]。
随着纳米科学与技术的迅速发展，寻找合适的纳米级别的表征手段成为关键，纳米光学（Nano-optics）应运而生。纳米光学即光学和纳米科技的结合学科，旨在研究纳米尺度，比如在接近或者低于光学衍射极限下的的光学现象，进一步挖掘纳米世界中的新领域、新物性和新现象。在自然界中存在很多具有奇异光学性质的纳米结构。比如光合成细胞膜，它利用特殊蛋白质去收集太阳光，然后将能量传递给与之相邻的蛋白质；很多昆虫的视网膜中存在具有纳米结构组成的反光层等等。近二十年，随着微纳加工技术及表征手段的发展及各种纳米化学物理合成手段的日趋成熟，绝大多数实验室都能使用相应的设备制备出形状各异的纳米材料，这些材料表现出奇特的光学性质，为实现纳米光学器件提供了可能。如图1.3所示，单个半导体CdSe纳米颗粒的荧光发射是量子化的，可用作量子通信中的单光子源[7]；纳米颗粒点阵组成的光子晶体中存在光子的能带[8]；半导体纳米线可作为一种荧光共振微腔[9]，通过低温或者强能量注入人们可实现半导体内电子数翻转，导致荧光的激射；单个金属纳米颗粒的吸收、散射光谱随尺寸、形状显著变化等等[10]。
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