表面等离子体

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1、表面等离子体（surfaceplasmons，SPs）是一种电磁表面波，它在表面处场强最大，在垂直于界面方向是指数衰减场，它能够被电子也能被光波激发。表面等离子体是目前纳米光电子学科的一个重要的研究方向，它受到了包括物理学家，化学家材料学家，生物学家等多个领域人士的极大的关注。随着纳米技术的发展，表面等离子体被广泛研究用于光子学，数据存储，显微镜，太阳能电池和生物传感等方面。表面等离子体 表面等离子体-科学历史1902年，R.W.Wood在光学实验中首次发现了表面等离激元共振现象 。1941年，U.J.Fano等人根据金属

2、和空气界面上表面电磁波的激发解释了这一现象。R.H.Ritchie注意到，当高能电子通过金属薄膜时，不仅在等离激元频率处有能量损失，在更低频率处也有能量损失峰，并认为这与金属薄膜的界面有关。1959年，C.J.Powell和J.B.Swan通过实验证实了R.H.Ritchie的理论。1960年，E.A.Stren和R.A.Farrel研究了此种模式产生共振的条件并首次提出了表面等离激元（SurfacePlasmon，SP）的概念。在纳米技术成熟之后，表面等离子体受到了人们极大的关注，成为目前研究的热点。它已经被应用于包括生

3、物化学传感，光电子集成器件多个领域。表面等离子体-基本原理表面等离子体场分布特性表面等离子体（SurfacePlasmons，SPs）是指在金属表面存在的自由振动的电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波。其产生的物理原理如下：如作图所示，在两种半无限大、各项同性介质构成的界面，介质的介电常数是正的实数，金属的介电常数是实部为负的复数。根据maxwell方程，结合边界条件和材料的特性，可以计算得出表面等离子体的场分布和色散特性。一般来说，表面等离子体波的场分布具有以下特性：1.其场分布在沿着界面方向是高度局域的

4、，是一个消逝波，且在金属中场分布比在介质中分布更集中，一般分布深度与波长量级相同。2.在平行于表面的方向，场是可以传播的，但是由于金属的损耗存在，所以在传播的过程中会有衰减存在，传播距离有限。3.表面等离激元的色散曲线在自然光的右侧 ，在相同频率的情况下，其波矢量比光波矢量要大。表面等离子体-激发方式表面等离子体由于在一般情况下，表面等离子体波的波矢量大于光波的波矢量，所以不可能直接用光波激发出表面等离子体波。为为了激励表面等离子体波，需要引入一些特殊的结构达到波矢匹配，常用的结构有以下几种：1.采用棱镜耦合的方式：棱镜耦

5、合的方式包括两种：一种是Kretschmann结构：金属薄膜直接镀在棱镜面上，入射光在金属-棱镜界面处会发生全反射，全反射的消逝波可能实现与表面等离子体波的波矢量匹配，光的能量便能有效的传递给表面等离子体，从而激发出表面等离子体波。这是目前广泛用于表面等离子体的科研与生产的一种结构。另一种是Otto结构：具有高折射率的棱镜和金属之间存在狭缝，狭缝的宽度比较小，大约几十到几百个纳米，这样使用起来比较不方便，所以只有在科研的过程中会偶尔用到。表面等离子体2.波导结构：利用波导边界处的消逝波激发表面等离子体波，使波导中的光场能量

6、耦合到表面等离子体波中。如图所示，波导两侧光波是消逝波，当在波导的某个位置镀上金属，这样当光波通过这个区域的时候就能够激发出表面等离子体波。在实际的研究中，常采用光纤做波导，剥去光纤某段的包层，再镀上金属，这样就实现了一种最简单的波导激发表面等离子体波的结构。3.采用衍射光栅结构：利用光栅引入一个额外的波矢量的增量实现波矢量的匹配。这是目前研究的热点和重点，常用的光栅主要是一维光栅，二维光栅以及孔阵列结构和颗粒阵列，图中是一维的光栅结构。由于光栅结构的材料参数与几何参数等都可以自己选定，可供研究的内容很丰富。这种结构一方面

7、能够激发表面等离子体波，另一方面二维光栅结构中能够引入能带，从而使得表面波的特性受到能带的影响，使得器件的参数更加可控。表面等离子体4.采用强聚焦光束：利用高数值孔径的显微目镜直接接触到介质层，在介质层与目镜之间涂上匹配油层，高数值孔径能够提供足够大的入射角，能够实现波矢量匹配，从而激发出表面等离子体波。5.采用近场激发：用一个尺寸小于波长的探针尖在近场范围内去照射金属表面，由于探针尖尺寸很小，从探针尖出来的光会包含波矢量大于表面等离子体波矢量的分量，这样就能够实现波矢量的匹配。表面等离子体-研究方法与工艺技术表面等离子体

8、色散特性目前用来研究的表面等离子体效应的理论方法主要有一下几种：1.时域有限差分方法（FiniteDifferenceTimeDomain，简称FDTD）。FDTD方法是把Maxwell方程式在时间和空间领域上进行差分化。利用蛙跳式(Leafflogalgorithm)--空间领域内的电场和磁场进行交替