基于維特比算法的凝聚態(tài)納米材料的研發(fā)

摘 要：盡管Janus金屬等離子體納米材料具有非常廣闊的應(yīng)用前景，但是在實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)和形貌的可控方面還存在著巨大的挑戰(zhàn)。本文將研究Janus金屬等離子體納米材料的刻蝕過程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)DNA引導(dǎo)的Au-Ag（JNs）的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性的精確調(diào)控，另外，本文建立數(shù)學(xué)模型，展示了含有金屬等離子體納米材料的鈣鈦礦薄膜的全方位光吸收增強(qiáng)能力。本文的研究結(jié)果為進(jìn)一步提高鈣鈦礦薄膜的光學(xué)性能并促進(jìn)其走向?qū)嶋H應(yīng)用提供了一種新的途徑。

關(guān)鍵詞：維特比算法；凝聚態(tài)納米材料；研發(fā)

1.引言

鑒于納米材料具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)以及廣泛的應(yīng)用前景，大量的科研人員致力于納米材料的開發(fā)和應(yīng)用。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，各種各樣的滿足不同實(shí)際需要的納米材料已經(jīng)被大量地制備并研究。本論文中我們主要關(guān)注的納米材料為金屬等離子體納米材料，該納米材料的應(yīng)用主要是基于等離子體光子學(xué)的發(fā)展。Plasmonics是納米光子學(xué)的一個(gè)重要分支，近年來該分支得到了快速發(fā)展，其發(fā)展涉及到了多個(gè)學(xué)科與領(lǐng)域，包括物理、化學(xué)、生物、醫(yī)藥以及環(huán)境科學(xué)等。Plasmonics的研究核心之一是局域表面等離子體共振的調(diào)控1-3。LSPR是指當(dāng)入射光與金屬表面的自由電子相互作用時(shí)，在特定的入射光頻率情況下，其表面的自由電子發(fā)生的共振現(xiàn)象。金屬表面的自由電子發(fā)生共振時(shí)，自由電子會(huì)聚集到金屬等離子體納米材料的特定區(qū)域，從而使該區(qū)域的電場(chǎng)增強(qiáng)（Liu C et al.2017）[1]。LSPR效應(yīng)除了能夠增強(qiáng)其近場(chǎng)之外，對(duì)金屬等離子體納米材料的遠(yuǎn)場(chǎng)（散射和吸收）同樣具有很大的影響。金屬等離子體納米材料正是因?yàn)槠洫?dú)特的局域表面等離子體光學(xué)性質(zhì)，使其在眾多的研究領(lǐng)域中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，包括表面增強(qiáng)拉曼散射4-5、生物檢測(cè)6、光學(xué)成像7、太陽(yáng)能電池8-10以及超材料11等（Cao Y et al.2017）[2]。

2.文獻(xiàn)綜述

近年來，隨著納米制備技術(shù)和表征手段的快速發(fā)展，各種各樣的金屬等離子體納米材料已經(jīng)被制備出來，各種金屬等離子體納米材料的研究和應(yīng)用推動(dòng)著等離子體光電子學(xué)進(jìn)入了一個(gè)高速發(fā)展的階段。金屬等離子體納米材料的等離子體光學(xué)性質(zhì)很大程度上由其形貌和構(gòu)成決定，本文將根據(jù)金屬等離子體納米材料的復(fù)雜程度，將金屬等離子體納米材料分為單粒子體系和金屬等離子體分子來綜述其研究進(jìn)展（Long-Hui L U et al.2016）[3]。對(duì)于單粒子體系的金屬等離子體納米材料，本文將介紹不同形貌的金屬等離子體納米材料的等離子體光學(xué)性質(zhì)，包括：球型顆粒，棒，三角，四方體，盤等等。對(duì)于金屬等離子體分子，本文將從最簡(jiǎn)單的金屬等離子體分子——二聚體出發(fā)，進(jìn)而介紹更為復(fù)雜的金屬等離子體分子的光學(xué)性質(zhì)，并介紹了襯底對(duì)金屬等離子體分子的光學(xué)性質(zhì)的調(diào)節(jié)作用，最后將綜述金屬等離子體納米材料的應(yīng)用，重點(diǎn)介紹其在表面增強(qiáng)拉曼檢測(cè)和太陽(yáng)能電池領(lǐng)域中的應(yīng)用（Julklang W et al.2015）[4]。

3.實(shí)證分析

3.1周期性Ag NWs陣列在鈣鈦礦薄膜中的位置對(duì)光吸收增強(qiáng)因子的影響

基于上文構(gòu)建的分析方法，我們得出的結(jié)果表明周期性Ag NWs陣列的引入能夠有效地增強(qiáng)鈣鈦礦薄膜的光吸收能力，與不含有周期性Ag NWs陣列的鈣鈦礦薄膜相比，周期性Ag NWs陣列的引入，使鈣鈦礦薄膜的吸收光譜呈現(xiàn)出寬帶增強(qiáng)的特性。前面的所有計(jì)算中，周期性Ag NWs陣列均位于鈣鈦礦薄膜的中心位置，下面我們將研究周期性Ag NWs陣列在鈣鈦礦薄膜中的位置Z的變化對(duì)鈣鈦礦薄膜光吸收增強(qiáng)的影響。把鈣鈦礦薄膜的中間位置作為參考0點(diǎn)，即Z=0代表周期性Ag NWs陣列位于鈣鈦礦薄膜的中心位置；Z>0代表周期性Ag NWs陣列在鈣鈦礦薄膜中的位置更靠近Spiro-OMeTAD；而Z<0代表周期性Ag NWs陣列在鈣鈦礦薄膜中的位置更靠近SiO2玻璃基底。分別研究了周期性Ag NWs陣列的位置在兩種厚度（200和300nm）的鈣鈦礦薄膜中的位置變化對(duì)其光吸收增強(qiáng)因子的影響。模擬中使用的參數(shù)如下，結(jié)構(gòu)1：H=200nm，R=70nm，L=400nm；結(jié)構(gòu)2：H=300nm，R=110nm，L=400nm。計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

3.2入射光的偏振性對(duì)鈣鈦礦薄膜的光吸收增強(qiáng)因子的影響

到目前為止，我們已經(jīng)獲得了Px和Py極化光照下最有利于增加鈣鈦礦薄膜光學(xué)吸收的周期性Ag NWs陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)摻入周期性Ag NWs陣列的鈣鈦礦薄膜的光學(xué)吸收對(duì)入射光的偏振狀態(tài)有很大的依賴性了，這主要是因?yàn)锳g NWs結(jié)構(gòu)的各向異性引起。太陽(yáng)光是非偏振光，AgNWs陣列的結(jié)構(gòu)各向異性不利于鈣鈦礦薄膜最大限度地吸收太陽(yáng)光。

計(jì)算的結(jié)果如圖2所示，很顯然nanocross的摻入，極大地降低了鈣鈦礦薄膜的光吸收對(duì)入射光的偏振性的依賴，在光偏振角度從0到90°的過程中，含有nanocross的鈣鈦礦薄膜的η值一直在1.16附近比較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，而含有周期性Ag NWs陣列的鈣鈦礦薄膜的η值從入射光偏振角0°時(shí)的1.155降低到了入射光偏振角為90°時(shí)的1.074。因此，計(jì)算結(jié)果表明將nanocross引入到鈣鈦礦薄膜中，不但能增強(qiáng)鈣鈦礦薄膜對(duì)光的吸收能力，而且還可以大大降低鈣鈦礦的光吸收對(duì)入射光偏振性的依賴。

4.結(jié)論

金屬等離子體納米材料的等離子體光學(xué)性質(zhì)依賴于其種類、尺寸、形貌以及周圍媒介等，通過調(diào)節(jié)以上一種或者幾種影響因素，可以使金屬等離子體納米材料具有豐富的等離子體光學(xué)性質(zhì)，從而使的其在眾多的領(lǐng)域中具有很好的應(yīng)用價(jià)值。本文借助 SAXS 獲得了 Au-Ag JNs 的結(jié)構(gòu)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均值，并建立了復(fù)合電導(dǎo)結(jié)的計(jì)算模型，研究發(fā)現(xiàn) Au-Ag JNs 中 Au 和 Ag NPs 的界面處的 DNA 對(duì) Au 和 Ag NPs 之間的電荷傳輸具有很大的影響，通過調(diào)節(jié)復(fù)合電導(dǎo)結(jié)的電導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)了對(duì) Au-Ag JNs 的 CTP 模式的強(qiáng)度和半高寬的調(diào)控，從而使 FDTD 計(jì)算完美地重現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的CTP 模式的所有特征。本文還通過 FDTD 數(shù)值計(jì)算研究了周期性Ag NWs 對(duì)鈣鈦礦薄膜的光吸收能力的影響，總之通過研究我們可以發(fā)現(xiàn) DNA 引導(dǎo)的金屬等離子體納米材料的光學(xué)性質(zhì)受DNA 的影響很大。

參考文獻(xiàn)

[1]Liu C，Chen X X，Zhang W，et al.Study on the Calibration Process of Parallel Bonding Meso-structure Parameter in PFC Numerical Simulation[J].Value Engineering，2017，10（6）：91-96.

[2]Cao Y，Wang H.Research on VMSK/2 Decoding Mode Based on Viterbi Algorithm[J].Journal of Telemetry Tracking & Command，2017，8（1）：21-23.

[3]Long-Hui L U，Liu J J.Study of the influence of inlet casing treatment structure on compressor performance based on numerical simulation[J].Journal of Ningde Normal University，2016，33（28）：653-659.

[4]Julklang W，Golman B.Numerical simulation of spray drying of hydroxyapatite nanoparticles[J].Clean Technologies & Environmental Policy，2015，17（5）：1217-1226.

[5]Zhu C，Bo X U.Study on Numerical Simulation and Structure Improvement of S-Trioxane/Water Heat Exchanger[J].Light Industry Machinery，2016，64（51）：503-510.

[6]Tian Y，Cui S W，Shen Y H.Numerical Simulation and Experimental Study on Seismic Behavior of Steel Structures[J].Earthquake Resistant Engineering & Retrofitting，2017，86（41）：903-910.

[7]Dong Q，Cao K，Zhang H，et al.Study of the Numerical Simulation on the Dynamical Characteristics of Steel-Structure-supported Tower[J].Journal of North China University of Technology，2017，66（25）：420-426.

作者簡(jiǎn)介：

孟順，湖南人文科技學(xué)院，能源與機(jī)電工程學(xué)院。