《等效介质理论对含聚集核壳结构纳米颗粒复合介质的适用性分析》开题报告
文献综述
- 研究背景与意义
颗粒复合介质是指通过多种技术将各种不同性质的组分材料优化而成的新材料，它既能保持各组分材料性能的优点，又增加了单一组分材料所不具备的性能。纳米量级（1nm-100nm）尺寸的颗粒会呈现一些特殊性质，如尺寸效应导致的光吸收增加、表面与界面效应导致的化学活性的提高等。核壳结构是由一种纳米材料通过化学键或其他作用力将另一种纳米材料包覆起来形成的纳米尺度的有序组装结构。由于其独特的结构特性，整合了内外两种材料的性质，并互相补充不足，在催化、光催化、电池、气体存储及分离方面有着广泛的应用前景。
介电常数（ɛ）是描述介质材料电磁响应的基本物理量，基于介电常数可计算介质的吸收、散射和衰减系数。相比于均匀介质，含纳米颗粒复合介质的介电常数计算复杂，耗费较多计算时间。因此在具体应用背景下，针对含纳米颗粒复合介质辐射特性计算时，如何建立出有效、适用性好的近似计算方法就显得至关重要。
- 国内外研究现状及发展
- 有效介质理论与S参数反演法
Maxwell-Garnett理论是在有效介质近似的研究中，Maxwell Garnett最早于1904年开发了一种简单的同质化理论[1]。在其混合公式中，复合介质的等效介电常数是介质内各组分的介电常数和体积分数的函数，其表达式为[2]：
(1)
式中，为颗粒周围介质的介电常数，与复合介质内的组分相关的函数，为相关体积分数。在MG理论基础上，Mallet[3]等通过在等效介电常数的虚部上增加散射损失修正项进行计算，证实了对于具有小球形的复合随机介质的某些散射体配置，Maxwell-Garnett公式在高散射体浓度下仍可以保持非常准确的状态，并包含多重散射效果以及平均场的衰减；从而使得MG理论能够适应介质内的多重散射，拓宽掺杂颗粒的尺寸范围。Bruggeman等将球形纳米颗粒和基底介质都看作是被掺杂于一虚构的等效介质中，此时二者在入射波的作用下产生电势应互相抵消，从而进一步发展出Bruggeman理论[4]。
S参数反演法,又称散射参数提取法(Scattering parameter retrieval),由Smith[5]等开发并用于超材料的等效介电常数和等效磁化系数的提取方法。他们分析了在电磁超材料的有限长度上通过传递矩阵模拟计算出的反射和透射系数,以确定有效介电常数和磁导率。该方法利用电磁波垂直入射到介质上的反射、透射系数（即S 参数）来反演介质的等效介电常数。当把不均匀的介质等效为一同质均匀的介质时，此时二者应当具有相同的反射、透射系数，利用反射、透射系数便可计算出介质的阻抗和复折射率，从而反推出介质的等效介电常数和等效磁化系数
此方法的计算过程中，复折射率的实部有一未知参数m，该参数与波穿过介质后的相位变化有关。为解决该问题，Chen[6]等提出了一种改进的方法，可从S参数的测量值中检索超材料板的有效参数（介电常数和磁导率）。对现有方法的改进包括确定有效平板的第一边界和厚度，选择有效阻抗的正确符号以及选择折射率的实部的正确分支的数学方法。Smith[7]等也对反演公式进行了改善，并通过计算有限厚度样品的散射参数，对典型的超材料结构进行了数值模拟，以说明改进的反演算法和对反演材料参数的影响，以及电磁特性的标准反演方法的有效性。 当他们考虑薄膜介质满足时（k为自由空间的波数，L为介质厚度），m值可设为0。
- 适用性分析计算
基于上述两种思路,国内外很多研究工作给出了不同形式的等效介电常数模型,然而这些模型都各有其局限性,其适用范围需要进一步探究。
对于有效介质近似的适用性计算，Lee[8]等利用实验测得了含有多层碳纳米管流体的消光系数，其结果表明，传统的考虑形状效应的MG模型对纳米流体消光系数的预测是不准确的。Resano[9]等通过引入形状分布有效介质理论(SDEMT)，研究了掺杂金、银纳米粒子复合介质的适用性；发现带有形状分布修正项的有效介质近似预测的吸收光谱与实验得结果吻合较好，从而验证了其适用性。
