納米顆粒散射的案例
基于comsol的Mie散射納米顆粒模型，求解吸光、散射、消光和雷達截面 ￥1800
米氏不同于瑞利散射呈對稱狀分布，而是散射在光線向前的方向比向后的方向更強，方向性比較明顯。 當顆粒直徑較大時，米氏散射可近似為<a href="https://baike.baidu.com/item/%E5%A4%AB%E7%90%85%E7%A6%BE%E8%B4%B9%E8%A1%8D%E5%B0%84" rel="noopener noreferrer" target="_blank">夫瑯禾費衍射</a>。當大氣中粒子的直徑與輻射的波長相當時發生的散射稱為米氏散射，如云霧的粒子大小與紅外線(0.7615um)的波長接近，所以云霧對紅外線的輻射主要是米氏散射。是故，多云潮濕的天氣對米氏散射的影響較大。 Mie提出的米氏散射理論是對于處于均勻介質的各向同性的單個介質球在單色平行光照射下，基于麥克斯韋方程邊界條件下的嚴格數學解。100多年來，米氏散射理論得到了很大發展，適用范圍逐漸推廣。如顆粒形狀推廣到多層的各項同性介質球和折射率漸變的各向同性介質球；無限長圓柱形顆粒（折射率按柱面分布）。入射光束從很寬的平行光束推廣到高斯光束和其他有形光束（shaped beam），稱為廣義米氏理論（GLMT）。廣義米氏理論還可推廣到橢球散射體。</p><p>RCS：Radar-Cross Section（雷達散射截面積）指的是目標輻射等效面積σ，等于目標總的后向散射功率P與雷達發射機在目標處的入射功率密度Q之比。RCS：Radar Cross-Section（雷達散射截面積）雷達目標和散射的能量可以表示為一個有效面積和入射功率密度的乘積，這個面積通常稱為雷達散射截面積。</p><p>（轉載至：百度百科）</p><p>本次模型采用遠場散射場，求解了納米顆粒的米氏散射的各類散射截面積隨頻率的變化。
展開 23，用comsol求解米氏散射公式，納米球的散射問題 ￥2500
<p>對于球形納米顆粒被平面光照射后的散射問題，前人mie已經給出了精確的數值解析解來求解散射效率，消光效率，吸收效率，我簡稱mie散射公式/米氏散射公式。其他形貌（金棒形，金納米星形，正方形等等）不適用mie散射公式。</p><p>在之前第二篇文章的文獻中，作者已經給出米氏散射公式如下<img src="https://img.jishulink.com/upload/202304/9c6cb860894a4aafbf373876c4ba6f18.png" alt="捕獲.png"></p><p>作者對比了用 comsol波動光學模塊 和 米氏解析解 求解出的散射效率，發現二者吻合，從而證明確實用波動光學模塊計算出的結果正確。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202304/42d7ce04673649fb8191262b7608080d.png" alt="捕獲.png"></p><p><br></p><p>那么我現在也用comsol求解了上述的米氏散射公式，我用三種方法求解消光，散射效率：（1）波動光學模塊。（2）在comsol中手動敲入米氏散射公式。（3）用comsol內置好的米氏散射公式函數。發現三者求解的結果一致，能復現出論文，如下圖所示，證明了對散射，消光效率求解的正確性。
展開 Jcmsuite應用：光場遇到納米球的散射與吸收
這個教程的例子模擬光散射到襯底上的球面粒子。粒子被S偏振和p偏振的斜射平面波照射。JCMsuite計算近場解。后處理用于計算吸收和衍射截面，并導出場輪廓。
近場強度(偽色，對數尺度)在兩個截面和三角形網格的幾何結構
計算域定義為xy平面上的一個平行四邊形。在第6行中，選擇了將y軸定義為坐標系的旋轉對稱軸。球體由一個(旋轉的)扇形(23-33行)定義，基片由一個(旋轉的)平行四邊形定義。
密度積分后處理可用于計算吸收截面。 通量積分后處理可用于計算散射截面。 (另外，遠場計算/傅里葉變換后處理也可以用于獲得角相關的散射振幅) 在本例中，Export Fields后處理用于可視化目的。
data_analysis文件夾還包含一個腳本，其中幾何、材料、光源和計算參數可以設置，并在其中執行波長掃描，產生波長依賴的吸收和散射截面計算(包括相應的模板文件layout.jcmt、sources.jcmt、materials.jcmt、project.jcmpt)。 請注意，在這種情況下，JCMsuite是在Daemon模式下使用的，它允許同時執行各種波長的波長掃描。 有了適當的硬件和許可證，所有波長響應可以同時計算，允許快速計算整個參數掃描。
襯底頂部納米球基于波長的吸收和散射
展開 FRED案例展示：繪制表面顆粒（Mie） 散射圖
于大多數散射模型，透射散射和反射散射之間的BSDF值沒有差異，因此無需指定繪圖是透射還是反射。
然而，表面顆粒 (Mie) 散射模型具有向前和向后的散射分量，在BSDF繪圖中需要加以考慮，但FRED中的默認繪圖類型僅適用于反射散射。
本文章中包含的FRED文件加載了一個嵌入式腳本，該腳本將BSDF數據寫入 Microsoft Excel進行交互繪圖，并說明該模型在傳輸過程中的應用。
①腳本概述
創建繪圖的嵌入式腳本利用FRED軟件功能，可調用COM和ScatterEval腳本功能與Microsoft Excel等程序進行交互。該腳本的偽代碼如下：
1.找到 Mie 散射節點并獲取其屬性；
2.創建 Excel 應用程序對象和工作簿文件；
3.開始循環入射角結構程序；
a.設置入射和鏡面方向矢量（考慮透射或反射）。
b.開始循環散射角結構程序。
a.散射角度范圍設置在 -89.5 °至 89.5 °之間。
b.使用ScatterEval函數根據入射向量、鏡面反射向量和散射向量計算 BSDF 值。
c.將BSDF數據導入Excel文件中。
4.在Excel文件中繪制最終結果。
用于入射、鏡面反射和散射方向矢量的坐標系如下圖1所示。在透射的情況下，鏡面方向矢量與入射方向矢量相同。在反射的情況下，鏡面方向矢量在z方向上改變符號。
圖1.方向矢量坐標系
除了設置 Excel 對象和指定方向向量之外，腳本中只有幾個散射模型本身的特定命令。使用特定于 scatter 的腳本命令包括：
FindScatter–返回散射模型的節點編號。
ScatterPrepareForEval–對內部初始化散射模型進行評估。此操作必須在 ScatterEval 命令之前運行。
展開 
表面顆粒（Mie）散射繪圖 Plotting Surface Particulate (Mie) S
對大部分散射模型來說，BSDF值并無差別，因此，也就沒必要指定透射或反射曲線。然而，對于顆粒或Mie散射模型來說，它是一個體效應，不僅有前向散射還有后向散射，這在BSDF繪圖時需要考慮。
下面文檔及例程是有關顆粒散射的使用方法，請下載：
Mie Scatter Plotting
http://fred-kb.photonengr.com/files/2011/01/miePlottingExcel.frd
Mater.》透明木材納米復合材料的便捷加工，具有結構顏色的等離子納米顆粒
【科研摘要】
木材是一種生態友好且豐富的基材，并且可以通過大規模納米技術進行功能化。但是，木材中的分層結構和相互連接的纖維阻礙了納米粒子向木材中的滲透。最近，
瑞典皇家理工學院
Lars A. Berglund
教授
團隊用金和銀鹽對脫木素的木材浸漬，這是通過微波輔助合成原位還原為等離激元納米顆粒。
透明生物復合材料由具有結構顏色的承重材料形式的含納米顆粒的木材制成。
著色源自納米粒子表面等離激元，其需要低尺寸的分散性和粒子分離。脫木素的木材充當綠色還原劑和納米顆粒所附著的增強支架，從而預先設計了它們在纖維“管”表面上的分布。
使用掃描透射電子顯微鏡（
STEM），能量色散光譜（EDS）和拉曼顯微鏡對納米級結構進行研究，以確定粒徑，粒徑分布以及結構與性質之間的關系。光學特性，包括對偏振光的響應，是特別令人關注的。
相關論文以題為
Facile Processing of Transparent Wood Nanocomposites with Structural Color from Plasmonic Nanoparticles
發表在《
C
hemistry of Materials
》上。
【主圖導讀】
圖
1.
（a）結構化的TW處理的示意圖：脫木質的木材中浸入了金屬鹽（銀或金），這些金屬鹽通過微波輔助合成原位還原成等離子體納米顆粒。然后將含納米顆粒的基材浸入單體中，并固化成具有結構顏色的TW復合材料。（b）輕木，脫木素的基材，銀的基材，金的基材，（c）Ag-TW和（d）Au-TW的照片。
圖
2. Ag-TW和Au-TW的光學特性：
（a）總透射率和（b）偏振分裂比。
展開 在靜電紡絲納米纖維上“長出”納米顆粒，用作電池陰極材料
納米顆粒通常具有與本體材料不同的光學，電學，磁學或催化性質。然而，通常納米顆粒的團聚會嚴重影響這些特殊的納米特性，因此，使納米顆粒相互分開，可以長時間地穩定其性能。
加州理工學院化學與化學工程系Giapis教授組利用無針靜電紡絲技術，通過將電解質磷酸二氫銫（CDP）與聚乙烯吡咯烷酮（PVP）或聚乙烯醇（PVA）聚合物溶液混合，并加入少量以DMF為溶劑的聚苯胺（PANI）溶液來增加樣品的電導率。在靜電紡絲后高溫熱處理納米纖維樣品，成功制得了可用于固體酸性燃料電池（SAFCs）的納米纖維電極。
在靜電紡絲過程中，DMF較低的蒸汽壓導致其不易揮發。磷酸二氫銫（CDP）由于不溶于DMF，在靜電紡絲末期易形成過飽和狀態，會在PVP或PVA納米纖維內部及表面成核結晶“長出”納米顆粒。同機械壓制磷酸二氫銫（CDP）粉末生產的陰極相比，該納米纖維電極在每個電流密度下都具有更高的電池電壓，其原因是納米纖維電極表面積（21m2/g）相比于傳統陰極表面積（2.4m2/g）更大，約為9倍。同時因為PVP和PVA在氧化還原反應中沒有活性，所以需要通過300℃高溫熱處理去除。在該實驗中，PVP與PVA不同的熱解性質導致了PVP基納米纖維相比于PVA基納米纖維具有更好的電化學性能。該方法維持了納米顆粒的分散狀態，為在納米纖維表面附著納米顆粒提供了新的思路。
該研究成果近期發表于《Nature Communications》上。
圖文速遞
圖1.靜電紡絲過程的示意圖。納米顆粒修飾的納米纖維由透明聚合物溶液一步制成，溶液中含有溶解的磷酸二氫銫（CDP）和聚合物。在浸入溶液中的旋轉電極上會形成多個泰勒錐。在收集電極上吹熱空氣，使得靜電紡絲能夠在低聚合物濃度下進行。具有CDP納米顆粒的纖維會大面積地沉積到收集電極上。
圖2.橫截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。
展開 Mater.》透明木材納米復合材料的便捷加工，具有結構顏色的等離子納米顆粒
【科研摘要】
木材是一種生態友好且豐富的基材，并且可以通過大規模納米技術進行功能化。但是，木材中的分層結構和相互連接的纖維阻礙了納米粒子向木材中的滲透。最近，
瑞典皇家理工學院
Lars A. Berglund
教授
團隊用金和銀鹽對脫木素的木材浸漬，這是通過微波輔助合成原位還原為等離激元納米顆粒。
透明生物復合材料由具有結構顏色的承重材料形式的含納米顆粒的木材制成。
著色源自納米粒子表面等離激元，其需要低尺寸的分散性和粒子分離。脫木素的木材充當綠色還原劑和納米顆粒所附著的增強支架，從而預先設計了它們在纖維“管”表面上的分布。
使用掃描透射電子顯微鏡（
STEM），能量色散光譜（EDS）和拉曼顯微鏡對納米級結構進行研究，以確定粒徑，粒徑分布以及結構與性質之間的關系。光學特性，包括對偏振光的響應，是特別令人關注的。
相關論文以題為
Facile Processing of Transparent Wood Nanocomposites with Structural Color from Plasmonic Nanoparticles
發表在《
C
hemistry of Materials
》上。
【主圖導讀】
圖
1.
（a）結構化的TW處理的示意圖：脫木質的木材中浸入了金屬鹽（銀或金），這些金屬鹽通過微波輔助合成原位還原成等離子體納米顆粒。然后將含納米顆粒的基材浸入單體中，并固化成具有結構顏色的TW復合材料。（b）輕木，脫木素的基材，銀的基材，金的基材，（c）Ag-TW和（d）Au-TW的照片。
圖
2. Ag-TW和Au-TW的光學特性：
（a）總透射率和（b）偏振分裂比。
展開 Jcmsuite應用：光場遇到納米球的散射與吸收
這個教程的例子模擬光散射到襯底上的球面粒子。粒子被S偏振和p偏振的斜射平面波照射。JCMsuite計算近場解。后處理用于計算吸收和衍射截面，并導出場輪廓。
近場強度(偽色，對數尺度)在兩個截面和三角形網格的幾何結構
計算域定義為xy平面上的一個平行四邊形。在第6行中，選擇了將y軸定義為坐標系的旋轉對稱軸。球體由一個(旋轉的)扇形(23-33行)定義，基片由一個(旋轉的)平行四邊形定義。
密度積分后處理可用于計算吸收截面。通量積分后處理可用于計算散射截面。(另外，遠場計算/傅里葉變換后處理也可以用于獲得角相關的散射振幅) 在本例中，Export Fields后處理用于可視化目的。
data_analysis文件夾還包含一個腳本，其中幾何、材料、光源和計算參數可以設置，并在其中執行波長掃描，產生波長依賴的吸收和散射截面計算(包括相應的模板文件layout.jcmt、sources.jcmt、materials.jcmt、project.jcmpt)。請注意，在這種情況下，JCMsuite是在Daemon模式下使用的，它允許同時執行各種波長的波長掃描。有了適當的硬件和許可證，所有波長響應可以同時計算，允許快速計算整個參數掃描。
襯底頂部納米球基于波長的吸收和散射
展開 Jcmsuite應用：光場遇到納米球的散射與吸收
這個教程的例子模擬光散射到襯底上的球面粒子。粒子被S偏振和p偏振的斜射平面波照射。JCMsuite計算近場解。后處理用于計算吸收和衍射截面，并導出場輪廓。
近場強度(偽色，對數尺度)在兩個截面和三角形網格的幾何結構
計算域定義為xy平面上的一個平行四邊形。在第6行中，選擇了將y軸定義為坐標系的旋轉對稱軸。球體由一個(旋轉的)扇形(23-33行)定義，基片由一個(旋轉的)平行四邊形定義。
密度積分后處理可用于計算吸收截面。通量積分后處理可用于計算散射截面。(另外，遠場計算/傅里葉變換后處理也可以用于獲得角相關的散射振幅) 在本例中，Export Fields后處理用于可視化目的。
data_analysis文件夾還包含一個腳本，其中幾何、材料、光源和計算參數可以設置，并在其中執行波長掃描，產生波長依賴的吸收和散射截面計算(包括相應的模板文件layout.jcmt、sources.jcmt、materials.jcmt、project.jcmpt)。請注意，在這種情況下，JCMsuite是在Daemon模式下使用的，它允許同時執行各種波長的波長掃描。有了適當的硬件和許可證，所有波長響應可以同時計算，允許快速計算整個參數掃描。
襯底頂部納米球基于波長的吸收和散射
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展開 036 – FDTD納米線的光散射（僅模型文件，免費）
036 – FDTD納米線的光散射（僅模型文件，免費）
基本介紹：
主要內容：本案例通過matlab解析和FDTD模擬分別計算了半徑100 nm的納米線對TM光的散射截面，兩者完全吻合；
基于Lumerical FDTD Solution求解，使用的軟件版本為Lumerical 2020 R2；
計算所需的內存：1 GB；
涉及的內容：2D-FDTD、場監視器、cross-section分析組、matlab編程 等；
繪制了：散射截面隨波長的關系、電場分布；
本案例僅包含模型文件，但有一個文字版的建模過程詳解。此案例不附帶答疑指導。
包含的文件截圖：
詳細描述：
如上圖所示，用TM偏振的平面光照射一根無限長的介質納米線，納米線的半徑為100 nm，折射率為2。本案例用FDTD模擬了400 ~ 800 nm波長范圍內的光散射截面以及電場分布，并將結果與matlab解析計算的散射截面相比較。
計算的內容和結果：
1、散射截面。
展開 
基于Lumerical fdtd的異型納米空心球散射光場仿真
基于FDTD腳本驅動的全流程：微型球體聚合空心球殼nanojet建模、散射光場及散射效率曲線繪制實踐
焚天神劍
關鍵詞：FDTD腳本編碼，全流程，異型球體建模，nanojet散射，散射效率曲線
本設計運用FDTD腳本全流程，針對微型球體聚合的空心球殼nanojet展開深入探究。從建模著手，精心調試各項參數，成功搭建出精準且完善的模型，精準復現了空心球殼的結構特征。在散射光場模擬環節，其呈現效果與預期幾近一致，直觀展現出光與納米結構相互作用的細節。散射效率曲線繪制結果表明，不同球殼半徑在各異波長下呈現出穩定的差異規律。此項設計為納米光學研究、微納器件制備等領域提供了有力支撐，極具應用潛力。
結構設計
納米球的外形輪廓如下圖左所示，預計產生的光場散射效果如右圖所示。
圖1 預期球殼外形以及散射效果
粗糙表面納米二氧化硅空心球，300-2500nm的波長，球殼的直徑200-1000nm，外部小球40nm。對球體進行編程建模，形成FDTD的參數列表以及模糊化處理的編碼。編碼的優勢為波長范圍、頻率采樣率、球殼半徑、微球半徑以及材料靈活設置，一鍵式操作。
圖2 model參數設置以及編碼
形成如下結構樹以及規律排列的球形微球陣列。
圖3 結構樹以及建模效果
掃描設計
結構掃描個性化編碼，設置好掃描數量和范圍，仿真后形成下列仿真好的文件（需要經過一些仿真時間）。
圖4 掃描腳本以及生成的仿真結果
散射光場、效率曲線
首先，基于第二節的仿真結果，選取特定球殼半徑以及波長序號，生成光場圖，見下圖效果。
展開 015 - FDTD金納米棒的吸收、散射、消光截面（僅模型文件） ￥46
015 - FDTD金納米棒的吸收、散射、消光截面（僅包含模型文件，46元）
基本介紹：
主要內容：根據發表在 Langmuir 上的論文《Synthesis of Absorption-Dominant Small Gold Nanorods and Their Plasmonic Properties 作者：Henglei Jia等》，重復了圖2a、圖2b、圖2c、圖2d；
基于Lumerical FDTD Solution求解，使用的軟件版本為Lumerical 2016a；
計算所需的內存：8 GB；
涉及的內容：TFST光源、cross_section分析組、自己編寫腳本畫圖 等；
繪制了：四個不同尺寸金納米棒的吸收截面、散射截面和消光截面；
注意：本案例僅包含模型文件，但有一個如何運行計算的簡單說明，購買后不附帶答疑指導。
包含的文件截圖：
詳細描述：
如上圖所示，金納米棒分散在水中形成膠體，一束波長為 400 ~ 1200 nm 的光照射金納米棒膠體，計算其吸收截面、散射截面、消光截面。
由于金納米棒在水中的方向是隨機的，所以要考慮金納米棒上所激發出的局域表面等離激元（LSP）的橫模與縱模，然后將兩種模式做加權平均。
金納米棒的尺寸考慮四種情況，直徑/長度分別為（單位nm）：40.2/104.3、16.6/62.2、6.0/16.2、8.8/36.6。
計算的內容和結果：
1、論文中四個不同尺寸的納米棒的吸收、散射和消光截面 ??
2、本案例的計算結果 ??
再次提醒：本案例僅包含模型文件，沒有講解視頻，也不附帶答疑指導。
展開 蘇州大學董彬教授課題組等《PNAS》：基于氮化碳/聚吡咯納米顆粒的光驅動微納米機器人
受自然界的啟發，近年來科學家發展了多種能夠趨光運動的游動微納米機器人，然而，實現像微生物一樣同時具有趨光和避光的行為依然極具挑戰。
近日，蘇州大學董彬教授課題組聯合中科院物理所楊明成教授課題組和華南師范大學董任峰教授合作報道了一種基于氮化碳（C3N4）/聚吡咯納米顆粒（PPyNP）的游動微納米機器人。在光照下，其行為類似于綠藻，其能夠感知光強變化，在低光強下趨光運動，在強光下避光運動。這種仿生性的運動行為主要是由于同時集成到游動微納米機器人中的兩種協同競爭機制（自擴散泳和自熱泳）所引起的。更為有趣的是，通過調節光強，這兩種機制之間的協同競爭可以實現游動微納米機器人集群在均勻光照下的群體雙向趨避光運動以及在非均勻光場下的群體渦旋運動行為。這一研究成果為設計具有復雜運動行為的游動微納米機器人提供了新思路，也為光驅動微納米機器人的進一步應用奠定了基礎。
圖1.（A-D）C3N4/PPyNP游動微納米機器人在較弱平行光下（0.4 W/cm2）趨光，中等強度平行光下（0.8 W/cm2）做類似布朗運動和較強平行光下（1.2 W/cm2）避光的示意圖和軌跡圖。(G-H) C3N4/PPyNP游動微納米機器人在動態調整光強下（0.4 W/cm2-1.2 W/cm2）往復運動示意圖和軌跡圖像（入射光角度為30°）。
圖2 （a-f）C3N4/PPyNP游動微納米機器人集群在較弱平行光下（0.4 W/cm2）趨光，較強平行光下（1.2 W/cm2）避光和中等強度平行光下（0.8 W/cm2）做類似布朗運動的示意圖和軌跡圖（入射光角度為30°）。
展開 037 – COMSOL納米線的光散射（僅模型文件，免費）
037 – COMSOL納米線的光散射（僅模型文件，免費）
基本介紹：
主要內容：本案例通過matlab解析和COMSOL模擬分別計算了半徑100 nm的納米線對TM光的散射截面，兩者完全吻合；
基于COMSOL頻域求解，使用的軟件版本為COMSOL 5.4 (5.4.0.225)；
計算所需的內存：4 GB；
涉及的內容：自定義方程、組件耦合-積分 等；
繪制了：散射截面隨波長的關系、電場分布；
本案例僅包含模型文件，但有一個文字版的建模過程詳解。本案例不附帶答疑指導。
包含的文件截圖：
詳細描述：
如上圖所示，用TM偏振的平面光照射一根無限長的介質納米線，納米線的半徑為100 nm，折射率為2。本案例用COMSOL模擬了400 ~ 800 nm波長范圍內的光散射截面以及電場分布，并將結果與matlab解析計算的散射截面相比較。
計算的內容和結果：
1、散射截面。左：COMSOL模擬的結果，右：用matlab解析計算出來的結果 ??
2、COMSOL模擬的400nm處的電場分布 ??
免費案例，模型文件請從附件中下載：
037-COMSOL納米線的散射（僅模型文件）.zip
文字版建模過程詳解：
1. 雙擊圖標打開COMSOL軟件，然后按照模型向導新建一個工程文件，即：模型向導→二維→電磁波，頻域→波長域→完成，如下圖
2. 在“幾何1”的設置中將長度單位改為nm，方便待會兒修改數值
3. 右擊“幾何1”，增加一個圓，將其半徑改為100nm
4.
展開 