摘 要：尽管Janus金属等离子体纳米材料具有非常广阔的应用前景，但是在实现其结构和形貌的可控方面还存在着巨大的挑战。本文将研究Janus金属等离子体纳米材料的刻蚀过程，从而实现对DNA引导的Au-Ag（JNs）的结构和光学特性的精确调控，另外，本文建立数学模型，展示了含有金属等离子体纳米材料的钙钛矿薄膜的全方位光吸收增强能力。本文的研究结果为进一步提高钙钛矿薄膜的光学性能并促进其走向实际应用提供了一种新的途径。

关键词：维特比算法；凝聚态纳米材料；研发

1.引言

鉴于纳米材料具有独特的物理和化学性质以及广泛的应用前景，大量的科研人员致力于纳米材料的开发和应用。随着纳米技术的发展，各种各样的满足不同实际需要的纳米材料已经被大量地制备并研究。本论文中我们主要关注的纳米材料为金属等离子体纳米材料，该纳米材料的应用主要是基于等离子体光子学的发展。Plasmonics是纳米光子学的一个重要分支，近年来该分支得到了快速发展，其发展涉及到了多个学科与领域，包括物理、化學、生物、医药以及环境科学等。Plasmonics的研究核心之一是局域表面等离子体共振的调控1-3。LSPR是指当入射光与金属表面的自由电子相互作用时，在特定的入射光频率情况下，其表面的自由电子发生的共振现象。金属表面的自由电子发生共振时，自由电子会聚集到金属等离子体纳米材料的特定区域，从而使该区域的电场增强（Liu C et al.2017）[1]。LSPR效应除了能够增强其近场之外，对金属等离子体纳米材料的远场（散射和吸收）同样具有很大的影响。金属等离子体纳米材料正是因为其独特的局域表面等离子体光学性质，使其在众多的研究领域中具有潜在的应用价值，包括表面增强拉曼散射4-5、生物检测6、光学成像7、太阳能电池8-10以及超材料11等（Cao Y et al.2017）[2]。

2.文献综述

近年来，随着纳米制备技术和表征手段的快速发展，各种各样的金属等离子体纳米材料已经被制备出来，各种金属等离子体纳米材料的研究和应用推动着等离子体光电子学进入了一个高速发展的阶段。金属等离子体纳米材料的等离子体光学性质很大程度上由其形貌和构成决定，本文将根据金属等离子体纳米材料的复杂程度，将金属等离子体纳米材料分为单粒子体系和金属等离子体分子来综述其研究进展（Long-Hui L U et al.2016）[3]。对于单粒子体系的金属等离子体纳米材料，本文将介绍不同形貌的金属等离子体纳米材料的等离子体光学性质，包括：球型颗粒，棒，三角，四方体，盘等等。对于金属等离子体分子，本文将从最简单的金属等离子体分子——二聚体出发，进而介绍更为复杂的金属等离子体分子的光学性质，并介绍了衬底对金属等离子体分子的光学性质的调节作用，最后将综述金属等离子体纳米材料的应用，重点介绍其在表面增强拉曼检测和太阳能电池领域中的应用（Julklang W et al.2015）[4]。

3.实证分析

3.1周期性Ag NWs阵列在钙钛矿薄膜中的位置对光吸收增强因子的影响

基于上文构建的分析方法，我们得出的结果表明周期性Ag NWs阵列的引入能够有效地增强钙钛矿薄膜的光吸收能力，与不含有周期性Ag NWs阵列的钙钛矿薄膜相比，周期性Ag NWs阵列的引入，使钙钛矿薄膜的吸收光谱呈现出宽带增强的特性。前面的所有计算中，周期性Ag NWs阵列均位于钙钛矿薄膜的中心位置，下面我们将研究周期性Ag NWs阵列在钙钛矿薄膜中的位置Z的变化对钙钛矿薄膜光吸收增强的影响。把钙钛矿薄膜的中间位置作为参考0点，即Z=0代表周期性Ag NWs阵列位于钙钛矿薄膜的中心位置；Z>0代表周期性Ag NWs阵列在钙钛矿薄膜中的位置更靠近Spiro-OMeTAD；而Z<0代表周期性Ag NWs阵列在钙钛矿薄膜中的位置更靠近SiO2玻璃基底。分别研究了周期性Ag NWs阵列的位置在两种厚度（200和300nm）的钙钛矿薄膜中的位置变化对其光吸收增强因子的影响。模拟中使用的参数如下，结构1：H=200nm，R=70nm，L=400nm；结构2：H=300nm，R=110nm，L=400nm。计算结果如图2所示。

3.2入射光的偏振性对钙钛矿薄膜的光吸收增强因子的影响

到目前为止，我们已经获得了Px和Py极化光照下最有利于增加钙钛矿薄膜光学吸收的周期性Ag NWs阵列的结构参数。同时发现掺入周期性Ag NWs阵列的钙钛矿薄膜的光学吸收对入射光的偏振状态有很大的依赖性了，这主要是因为Ag NWs结构的各向异性引起。太阳光是非偏振光，AgNWs阵列的结构各向异性不利于钙钛矿薄膜最大限度地吸收太阳光。

计算的结果如图2所示，很显然nanocross的掺入，极大地降低了钙钛矿薄膜的光吸收对入射光的偏振性的依赖，在光偏振角度从0到90°的过程中，含有nanocross的钙钛矿薄膜的η值一直在1.16附近比较小的范围内波动，而含有周期性Ag NWs阵列的钙钛矿薄膜的η值从入射光偏振角0°时的1.155降低到了入射光偏振角为90°时的1.074。因此，计算结果表明将nanocross引入到钙钛矿薄膜中，不但能增强钙钛矿薄膜对光的吸收能力，而且还可以大大降低钙钛矿的光吸收对入射光偏振性的依赖。

4.结论

金属等离子体纳米材料的等离子体光学性质依赖于其种类、尺寸、形貌以及周围媒介等，通过调节以上一种或者几种影响因素，可以使金属等离子体纳米材料具有丰富的等离子体光学性质，从而使的其在众多的领域中具有很好的应用价值。本文借助 SAXS 获得了 Au-Ag JNs 的结构参数的统计平均值，并建立了复合电导结的计算模型，研究发现 Au-Ag JNs 中 Au 和 Ag NPs 的界面处的 DNA 对 Au 和 Ag NPs 之间的电荷传输具有很大的影响，通过调节复合电导结的电导率，实现了对 Au-Ag JNs 的 CTP 模式的强度和半高宽的调控，从而使 FDTD 计算完美地重现了实验所测得的CTP 模式的所有特征。本文还通过 FDTD 数值计算研究了周期性Ag NWs 对钙钛矿薄膜的光吸收能力的影响，总之通过研究我们可以发现 DNA 引导的金属等离子体纳米材料的光学性质受DNA 的影响很大。

参考文献

[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.

作者簡介：

孟顺，湖南人文科技学院，能源与机电工程学院。