基于局域表面等离子共振(Local Surface Plasmon Resonance,LSPR)原理, 本文利用有限元法研究了银圆锥纳米阵列共振波长的调控方法。使用COMSOL仿真软件模拟银圆锥纳米阵列表面附近的平均电场强度随入射光的变化, 结果表明其共振波长与阵列周期和环境折射率有关。圆锥阵列周期p的增加, 导致共振波长发生红移。两者间近似呈线性关系, 可根据有效波长理论拟合得到阵列周期与共振波长间的线性关系式: p=0.97λ+21.244。圆锥半径r和高度h的变化对共振波长无影响。周期p为560 nm时, r=120 nm, h=200 nm, 共振波长峰高达到最值。环境介质折射率增加导致共振波长红移, 峰高减小, 并且出现多个共振波峰。

本文采用基于第一性原理的密度泛函理论(DFT)和密度泛函微扰理论 (DFPT)方法,计算了ZnCo3(OH)6Cl2和ZnNi3(OH)6Cl2两种六角结构晶体的结构, 声子谱和模式密度, 进而分析和比较了对称性, 频率以及热力学性质。通过理论计算得到的声子谱没有虚频, 可知该结构可以稳定存在; 声子模式密度结果显示了不同种类原子的贡献大小。确定了拉曼活性振动模式的对称性和频率, 并与量子自旋液体材料ZnCu3(OH)6Cl2进行了比较, 结果显示它们的主要拉曼峰位置比较接近。最后, 计算和分析得到的热力学性质符合物理规律。

利用水热法实验制备黄钾铁矾固溶系列样品AFe3(SO4)2(OH)6,其中A位置可以被K+、Na+和H3O+占据。此外,还制备近全钾占据的黄钾铁矾作为对比样品。对制备的黄钾铁矾群样品进行了拉曼光谱测试,黄钾铁矾的拉曼光谱分为羟基区(3000~4000 cm-1)、硫酸根内部模式、点阵振动模三个主要部分,并对有异议的振动模的归属重新做了分析。利用拉曼光谱峰的数目以及频移,离子半径的大小、键长、键角的变化等信息,采用胡克定律分析了黄钾铁矾固溶系列A位置的离子替换作用。A位置离子的替换作用主要影响黄钾铁矾结构中OH基周围的环境,使得与羟基相关的振动模发生变化。

本文利用数值模拟的方法研究了两种不同的非对称领结型纳米孔结构的光学特性。对于偏置间隙的领结型纳米孔,其基模共振与孔的周长呈线性关系。并且,不同的间隙尺寸对间隙偏置的敏感度不同。对于间隙的一边的结构发生变化的领结型纳米孔,基模共振可以通过改变单个几何参量（剩余部分的高度h2）进行线性调制。另外,研究中还观察到了类Fabry-Perot共振的共振峰分裂。我们在这项工作中提出的这两种打破领结型纳米孔的对称性的方法可以灵活地对领结型纳米孔结构的共振进行操控。

基于表面等离激元共振(SPR)的原理, 设计了一种具有矩形凹槽周期阵列微结构的金属增强基底。利用有限元方法对基底表面附近电场的分布进行了理论模拟分析, 结果表明在SPR共振情况下, 其凹槽微结构坑口处可得到强局域场, 局域电场强度Eｍａｘ／Ｅ０可达20。通过改变结构的周期、凹槽长度l、宽度w以及环境介质, SPR共振峰发生规律性的移动, 波长覆盖范围为500～1 000 nm。入射光沿x方向偏振的情况下, 随着结构x方向周期Px的增加, SPR共振峰明显红移。当入射光波长与Px相当时, 观察到凹槽内局域电场突然减小的现象。这是由于满足了波矢匹配条件, 传播型SPP被激发导致的。改变凹槽长度l, 发现共振波长随l的增加红移, 近似呈线性关系。环境介质折射率的增加也会引起共振峰的红移。而凹槽宽度w的增加将导致其蓝移。这种规律性的移动为实现共振波长的调控提供了途径。受Jain研究报道的启发, 矩形凹槽结构可以等效为两对偶极耦合模型的组合, 从而解释SPR共振峰随结构参数变化而发生的移动。

本文利用离子交换技术结合后续处理过程在玻璃基质中引入Ag纳米粒子, 首先通过Ag+交换把Ag+引入到载玻片中, 再结合进一步的K+交换或后续热退火处理使Ag+还原成Ag纳米粒子。分别采用吸收光谱和扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM)对所制备的Ag纳米粒子进行光学性质和表面形貌的表征。为了研究Ag纳米粒子的表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering, SERS)活性, 我们分别以含Ag纳米粒子的载玻片和不同浓度的罗丹明6G(R6G)溶液作为基底和探针分子进行了拉曼光谱测试, 基底呈现良好的增强效果。根据表面增强拉曼光谱的测试结果, 给予相应的分析和解释。

本文基于DFT方法计算了2, 3, 7, 8-四氯二苯并对二恶英(2, 3, 7, 8-TCDD)结构和振动性质。为了考察分子与金属表面的吸附和相互作用, 建立了两种金属银离子与2, 3, 7, 8-TCDD分子的复合体系, 计算了它们的分子结构、电子结构和振动性质。基于计算结果详细分析了结构的变化、金属离子与分子中不同原子之间的相互作用;另外, 根据不同体系拉曼散射强度的变化, 对拉曼强度变化较大的特征振动进行了分析和讨论。文中给出的计算结果可用于指导相应的实验研究。

利用基于密度泛函理论的第一性原理计算, 本文研究双酚A(BPA)和双酚A二缩水甘油醚(EDGEBA)分子的结构和振动性质, 分析了两种分子红外活性和拉曼活性特征振动的频率和对称性。计算结果表明, BPA分子的拉曼散射峰基本归属于对位取代苯的骨架振动, 500~1600 cm-1 红外强度较强; 对于DGEBA分子环氧基团指纹区的特征振动频率为860, 930, 1123, 1260 cm-1, 其红外光谱强度较大, 可用于DGEBA类树脂固化反应过程监控; 1260 cm1附近的振动模, 其拉曼散射强度较高, 可成为拉曼光谱研究固化反应过程的特征振动。而1160 cm-1 附近的振动属于芳香环的特征振动, 强度基本不变。

本文基于Anderson局域效应和有限时域差分(FDTD)计算方法, 对具有一定无序性的多孔硅材料内光的横向局域进行了理论分析, 考察了不同无序度、孔洞排列的不同方式对硅材料光学性质的影响。计算结果表明, 多孔硅内光的行为和多孔硅的结构参数有很大关系。当结构参数合适时, 光束可以呈现比较明显的横向局域效果。适当改变材料中孔道的排列方式, 可以有效的调节光在材料中的传播方式与局域效果。设计了具有“边墙”效果的孔洞排列方式, 不仅能够固定光斑的位置, 而且还可实现光束的局域增强效果。

本文利用离散偶极子近似方法研究了银纳米三棱柱二聚体的光学性质, 考察了粒子相对位置、粒子间隔和入射光偏振方向对消光谱和电场的影响。入射光偏振对二聚体的消光谱和表面电场均有较大的影响。纳米粒子间隔较小时, 粒子间存在较强的耦合; 粒子间隔较大时, 二聚体的消光谱更接近两个相互独立的粒子情形。另外二聚体的表面电场分布和平均电场强度还受到粒子相对位置和间隔的影响, 随着粒子间隔的增大, 表面平均电场值振荡上升达到最大值后减小。