基于磁场控制的磁性核壳纳米粒子的组装及其Fano共振特性研究

Certain nanostructure assembled by metal nanoparticles possesses the characteristics of Fano resonance and related optical, thermal, and electrical effects, which have very important application in the fields of military, energy, and medicine. In this project, it is proposed to create 3D assembly of magnetic core-shell nanoparticles controlled by external magnetic field. By this approach, the shortcomings of conventional technique can be overcome. Furthermore, the assembly can be controlled by magnetic field, and consequently, the characteristics of Fano resonance can be adjusted. In this project, at first, the behavior of magnetophoresis and the mechanism of the formation of the assembly will be investigated numerically. Then the assembly formed under different conditions will be studied experimentally. Moreover, the effect of oscillating magnetic field in controlling the assembled nanostructure will be explored. Then, numerical simulation and experimental investigation will be carried out to study the characteristics of the Fano resonance, particularly, the effect of localized enhancement of electric field. Through the research of this project, the mechanism of the assembly of magnetic core-shell nanoparticles will be mastered comprehensively, and the characteristics of the Fano resonance of the assembly will be explored. This project is a combination of nanotechnology and electromagnetic technology. It has important theoretical value. Furthermore, it can guide the optimal design in practical application of this technique.

金属纳米粒子在一定组装结构下可具备Fano共振特性及其各种相关的光、热、电效应，在军事、能源、医学等领域有着非常重要的应用价值。本项目拟采用外部磁场控制磁性核壳纳米粒子的方法形成有序的3D粒子组装结构，该方法不仅可克服传统技术的不足，而且可通过磁场调控粒子的组装结构，进而影响其Fano共振特性。本项目首先利用数值模拟技术研究磁场作用下粒子的磁泳特性，及其形成有序组装结构的物理机制；在此基础上开展不同条件下形成组装结构的实验研究，并探索振动磁场对组装结构的调控作用；进一步针对3D组装结构Fano共振特性，特别是其局部电场加强效应进行建模仿真和实验研究。通过本项目研究可以更加全面和深入的掌握磁性核壳纳米粒子形成有序结构的机理，并探索出3D纳米粒子组装结构的Fano共振特性。本项目研究是纳米和电磁技术的融合，不仅具有重要的理论价值，对这一技术工程化应用中的参数优化选择也有重要的指导意义。

金属纳米粒子在一定组装结构下可具备Fano共振特性及其各种相关的光、热、电效应，在军事、能源、医学等领域有着非常重要的应用价值。鉴于此，本项目提出一种微流体辅助纳米软磁体驱动磁性核壳纳米粒子自组装的新方案，极大提高了粒子组装结构的一致性，且在粒子间电磁近场耦合作用下，粒子组装结构可呈现出独特的协同共振现象，如Fano共振。本项目取得的成果主要包括：（1）全面考虑磁性核壳纳米粒子受到的体积力、接触力以及粒子与载流体间相互耦合作用，建立了拉格朗日-欧拉模型，对磁场控制磁性核壳纳米粒子的组装过程进行了全面的数值模拟研究，深入分析了软磁体的几何形状和尺寸以及初始粒子的数目等参数对粒子组装结构的影响。（2）基于微流体辅助软磁体控制磁性纳米粒子动态自组装的方案，采用微纳技术加工了纳米软磁体阵列以及微流体通道，开展了磁性纳米粒子组装结构及其调控方法的实验研究，深入分析了软磁体尺寸和形貌对粒子组装结构的影响，验证了本项目提出的方案的可行性。（3）建立了描述磁性核壳纳米粒子组装结构中Fano共振特性的三维全波计算模型，并依据粒子聚合物中超辐射模式之间的干涉理论揭示了磁性核壳纳米粒子七聚物中Fano共振的形成机理，并获得了粒子核半径、金层厚度以及周围介质环境对七聚物的法诺共振消光谱线的影响规律。本项目的研究结果对阐明磁场控制磁性核壳纳米粒子组装及Fano共振产生的物理机制具有重要的理论价值，而且对加强其在光学和生物医学领域的应用也有重要的指导意义。