纳米核壳材料的优化设计

本书主要研究金属、介质、石墨烯材料构成的核壳结构和电磁波的相互作用，利用结构独特的等离激元和Mie散射的特性，通过优化结构设计以达到对光的操控，重点研究了多重Fano共振、定向散射和石墨烯吸收增强现象。全书共5章。第1章绪论，主要介绍表面等离激元共振、核壳结构的Mie散射理论和石墨烯材料的光电性质；第2章核壳结构中的多重Fano共振现象，介绍由同阶电磁模式相互作用引发的非传统的Fano特性；第3章金属-电介质核壳结构中的定向散射现象，主要介绍利用银和折射率只有2.0的电介质构成的核壳结构，通过前两阶不等振幅电磁模式的相互作用，实现背向或前向散射的压制；第4章基于核壳结构中Fano共振的石墨烯吸收增强，主要利用核壳结构中非传统Fano共振来增强石墨烯在可见光波段的吸收；第5章基于石墨烯双曲色散腔中回音廊共振的纳米激光器，主要介绍多层石墨烯/介质球形双曲色散腔中的回音廊模式特性及其在深度亚波长、低阈值纳米激光器中的应用。
本书内容涉及纳米材料、光学、生命科学、光电子学等多个学科和领域的交叉，因此可供增强光吸收的光伏相关领域的研究人员，表面等离激元、Mie散射理论和应用研究人员，以及生命科学和透明显示等领域的研究人员参考。
本书由郑州航空工业管理学院的李艳担任主编，由郑州航空工业管理学院的王玉梅、钟发成担任副主编。另外，郑州航空工业管理学院的郭晓琴、袁庆新，硕士生谭茜文、褚博也参与了本书的编写和修改。具体分工如下：王玉梅编写了第1章，并负责稿件修改和校正；李艳编写了第2～4章；钟发成编写了第5章，并负责稿件修改和校正；郭晓琴、袁庆新、谭茜文、褚博主要负责本书图片的制作等工作。

编者
2021年12月

李艳，郑州航空工业管理学院副教授，在表面等离激元、Mie散射、纳米材料制备与控制等研究领域已经开展了多年的工作，主持了国家自然科学基金，航空基金以及省级项目，做出了多项有特色的研究成果，这些成果先后发表在国内外多种高水平刊物上。

本书主要介绍金属、介质、石墨烯材料构成的核壳结构和电磁波的相互作用机制，阐述纳米核壳结构的设计思想、基本理论、性能，达到对电磁波的操控。《纳米核壳材料的优化设计》重点是基于表面等离激元共振和Mie散射理论对纳米核壳结构进行设计和优化，利用结构中电磁模式的相互作用，构建多重Fano共振、定向散射等特性，说明纳米核壳结构在生物标记、增强石墨烯吸收及纳米激光器方面的应用。《纳米核壳材料的优化设计》涉及纳米材料、光学、生命科学、光电子学等多个学科和领域的交叉，可供从事表面等离激元和Mie散射理论应用研究人员，以及纳米材料、生命科学等领域的研究人员和研究生参考。

第1章绪论001 
1.1表面等离极化激元波以及局域等离激元共振002
1.1.1金属/介质表面的表面等离极化激元波002
1.1.2金属纳米颗粒的局域等离激元共振005
1.1.3等离激元杂化理论005
1.2石墨烯材料特性008
1.2.1石墨烯的结构和电学特性008
1.2.2石墨烯的光学性质010
1.3球和核壳纳米结构中LSP共振012
1.3.1Mie散射理论介绍012
1.3.2等离激元核壳结构中Mie LSP共振的调谐性020
1.4本书的主要内容026
参考文献028

第2章核壳结构中的多重Fano共振现象031 
2.1传统和非传统Fano共振032
2.1.1传统Fano共振032
2.1.2非传统Fano共振033
2.2基于多层介质-金属核壳结构的多重Fano共振041
2.2.1两组介质-金属核壳结构的多重Fano共振现象041
2.2.2三组介质-金属核壳结构的多重Fano共振现象045
2.3金属虚部对多重Fano共振的影响047
参考文献048

第3章金属-电介质核壳结构中的定向散射现象051 
3.1定向散射研究基础052
3.1.1Kerker条件介绍052
3.1.2高介电球及核壳结构实现定向散射053
3.2银-电介质核壳结构中的零背向散射现象060
3.2.1银-电介质核壳结构中的零背向散射现象和机理061
3.2.2银-电介质核壳结构中的宽带零背向散射现象065
3.2.3银-电介质核壳结构中波长可调的宽带零背向散射067
3.3银-电介质核壳结构中接近于零的前向散射现象069
3.3.1银-电介质核壳结构中接近于零的前向散射069
3.3.2银-电介质核壳结构中宽带接近于零的前向散射071
参考文献072

第4章基于核壳结构中Fano共振的石墨烯吸收增强075 
4.1概述076
4.2核壳结构中的非传统Fano共振现象078
4.3金属-石墨烯核壳结构中石墨烯的吸收增强080
4.4金属-介质-石墨烯核壳结构中石墨烯的吸收增强083
4.4.1石墨烯的可调吸收增强083
4.4.2金属核损耗对石墨烯吸收增强的影响085
4.4.3核壳结构阵列中石墨烯的吸收增强086
4.5介质-金属-石墨烯核壳结构中石墨烯的吸收增强088
4.5.1介质-金属-石墨烯核壳结构中吸收共振的高可调性088
4.5.2石墨烯的可调吸收增强088
4.5.3金属损耗对石墨烯吸收的影响091
参考文献092

第5章基于石墨烯双曲色散腔中回音廊共振的纳米激光器094 
5.1概述095
5.2石墨烯/介质球形核壳结构的色散特性098
5.3双曲色散腔的回音廊共振及其电场分布特性100
5.4基于石墨烯双曲色散腔的纳米激光器102
5.4.1基于多个回音廊共振的多波长、低阈值纳米激光器102
5.4.2纳米激光器激射波长的可调谐性105
5.4.3两对石墨烯/介质层情况下的电场分布和激射情况107
参考文献107