Metal Nanoclusters in Catalysis and Materials Science pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Corain, B. (EDT)/ Schmid, G. (EDT)/ Toshima, N. (EDT)

出品人:

页数:470

译者:

出版时间:2007-12

价格:$ 254.25

装帧:

isbn号码:9780444530578

丛书系列:

图书标签:

• Metal Nanoclusters
• Catalysis
• Materials Science
• Nanomaterials
• Nanotechnology
• Surface Science
• Colloids
• Chemical Reactions
• Heterogeneous Catalysis
• Nanoparticles

表面等离激元与纳米光子学：基础理论、先进材料与前沿应用 本书概述 《表面等离激元与纳米光子学：基础理论、先进材料与前沿应用》是一部深入探讨表面等离激元（Surface Plasmon Polaritons, SPPs）现象及其在纳米尺度光操控领域的前沿进展的综合性著作。本书旨在为物理学、材料科学、电子工程以及光学工程领域的学生、研究人员和工程师提供一个全面且深入的理论框架和技术视野，涵盖从基本物理原理到最尖端的实验技术与应用实例。 本书的结构设计严谨，内容涵盖了表面等离激元现象的经典电磁理论描述，深入到量子力学层面的光物质相互作用，并详细介绍了如何利用这些现象来突破传统光学衍射极限，实现对光在纳米尺度上的精确控制。 第一部分：表面等离激元基础理论 本部分是全书的理论基石，详细阐述了表面等离激元现象的物理本质及其数学描述。 第一章：电磁场与导电界面 本章从麦克斯韦方程组在不同介质界面上的边界条件出发，引入了电磁波在金属/电介质界面传播的基本概念。重点讨论了自由电子在金属中的响应，特别是德鲁德模型（Drude Model）在描述金属光学特性中的应用。通过分析电磁场在界面处的衰减特性，首次引入了表面等离激元波矢和其与光波矢的匹配条件，揭示了SPPs如何突破斯涅尔定律的限制，实现对光的有效“捕获”。 第二章：表面等离激元模式的分类与特性 本章系统区分了不同类型的表面等离激元模式。首先，详细分析了在无限大平面金属薄膜上激发的表面等离激元极化激元（SPPs），包括其色散关系、损耗机制（欧姆损耗和辐射损耗）以及如何通过改变金属和介质的介电常数来调控其传播长度和场强增强。随后，引入了局域表面等离激元共振（LSPRs）的概念，重点讨论了在纳米颗粒（如球体、棒状体、星形结构）上观察到的强吸收和散射特性。通过解析模型和有限差分时域（FDTD）模拟，阐明了LSPR的共振频率对颗粒的尺寸、形状和周围环境折射率的敏感性。 第三章：散射理论与偶合机制 本章聚焦于如何激发和探测SPPs。详细阐述了克勒斯-普拉哈（Kretschmann）和欧文赛（Otto）配置，解释了棱镜耦合技术中通过匹配波矢实现SPPs激发的物理机制。同时，深入探讨了电磁场与纳米结构耦合的理论，包括近场散射理论，如米氏散射（Mie Scattering）理论在理解纳米粒子LSPR光谱中的应用。此外，还讨论了能量从入射光传递到SPP模式，以及SPP能量如何重新辐射或耗散的热能，为后续的应用章节打下基础。 第二部分：先进纳米等离激元材料与结构设计 本部分着重于如何通过材料选择和结构工程来设计和优化等离激元器件的性能。 第四章：贵金属与非贵金属的等离激元特性对比 本章对不同金属材料的等离激元特性进行了细致的比较分析。详细对比了金（Au）、银（Ag）在可见光和近红外波段的优异性能，特别是银的低损耗特性。同时，重点探讨了铜（Cu）和铝（Al）等非贵金属在紫外和深紫外波段的应用潜力。通过分析金属的等效介电函数（包括量子修正），解释了为什么某些金属在特定波长范围内表现出“负介电常数”的特性，以及这种特性如何影响SPP的色散和损耗。 第五章：超表面与等离激元结构 本章聚焦于利用二维结构（超表面，Metasurfaces）来实现对光场的高级调控。详细介绍了平面上的周期性或非周期性纳米天线阵列（如V形天线、缝隙天线）。讨论了如何利用超表面实现亚波长尺度的相位、振幅和偏振调控。重点阐述了广义斯涅尔定律（Generalized Snell's Law）在超表面设计中的应用，以及如何通过引入几何相位（Pancharatnam–Berry Phase）来实现高效的偏振转换和光束偏转。 第六章：介电-等离激元混合结构与低损耗设计 为了克服纯金属结构的高损耗问题，本章探讨了将等离激元结构与低损耗介电材料（如$ ext{Si}$, $ ext{TiO}_2$）结合的策略。详细分析了混合表面等离激元的现象，讨论了如何通过精确控制金属与介电层的厚度比例，实现有效色散的调控，特别是对无损耗色散（Zero-Dispersion Wavelength）的利用，以最小化SPP的传播损耗，延长其相干长度。 第三部分：前沿应用与器件集成 本部分将理论与材料转化为实际的高性能光电器件和传感系统。 第七章：等离激元增强光谱技术 本章是等离激元在分析化学和生物传感领域的核心应用。深入剖析了表面增强拉曼散射（SERS）的增强机制，特别是“热点效应”（Hot Spot）的理论建模与实验验证。探讨了如何通过设计纳米结构阵列（如尖锐的纳米针尖或纳米间隙）来最大化局域场增强因子。此外，还讨论了基于LSPR的表面等离激元共振（SPR）传感器的基本原理、信号放大策略以及其在分子检测、折射率传感和生物成像中的应用。 第八章：光电探测与集成光学器件 本章关注等离激元在信息传输和光电转换中的作用。详细介绍了如何利用SPP来增强光与半导体材料的耦合效率，例如在薄膜太阳能电池中的光捕获技术。讨论了等离激元波导（Plasmonic Waveguides）的设计，包括光纤耦合和片上集成波导的损耗限制与克服方法，以及如何实现亚波长尺度的信息传输和调制。还涉及基于等离激元调制器（Plasmonic Modulators）的高速光通信元件设计。 第九章：等离激元与量子发射体的耦合 本章探索了等离激元作为“光子天线”对发光材料的调控作用。阐述了Purcell效应在等离激元腔中的增强机制，即通过调控环境的电磁密度（DOS）来改变激发态的辐射速率。讨论了如何利用LSPR或SPP波导来增强量子点、分子染料或二维材料（如$ ext{MoS}_2$）的发光效率，并将其应用于高效LED和单光子源的开发。 结论与展望 本书最后对当前表面等离激元研究的挑战进行了总结，包括高损耗、波长限制以及与现有半导体工艺的兼容性问题。展望了未来研究方向，如拓扑等离激元学、超冷原子与等离激元相互作用、以及等离激元在催化和能源转换中的潜在角色，为读者提供了广阔的研究视野。 --- 目标读者 本书适合于具有扎实的电磁学和光学基础的高年级本科生、研究生以及从事纳米光子学、传感器件、光电子学和先进材料研究的科研人员。书中包含丰富的数学推导和实例分析，旨在培养读者从第一性原理理解和设计高性能纳米光子器件的能力。

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