表面等離子體

1、表面等離子體百科名片   表面等離子體表面等離子體（surface plasmons，SPs）是一種電磁表面波，它在表面處場強(qiáng)最大，在垂直于界面方向是指數(shù)衰減場，它能夠被電子也能被光波激發(fā)。表面等離子體是目前納米光電子學(xué)科的一個(gè)重要的研究方向，它受到了包括物理學(xué)家，化學(xué)家材料學(xué)家，生物學(xué)家等多個(gè)領(lǐng)域人士的極大的關(guān)注。目錄簡介 科學(xué)歷史 基本原理 特性 激發(fā)方式 1. 采用棱鏡耦合的方式 2. 波導(dǎo)結(jié)構(gòu) 3. 采用衍射光柵結(jié)構(gòu) 4. 采用強(qiáng)聚焦光束 5. 采用近場激發(fā)研究方法與工藝技術(shù) 技術(shù)應(yīng)用 未來發(fā)展方向簡介 科學(xué)歷史 基本原理 特性 激發(fā)方式 1. 采用棱鏡耦合的方式

2、2. 波導(dǎo)結(jié)構(gòu) 3. 采用衍射光柵結(jié)構(gòu) 4. 采用強(qiáng)聚焦光束 5. 采用近場激發(fā)研究方法與工藝技術(shù) 技術(shù)應(yīng)用 未來發(fā)展方向展開編輯本段簡介隨著納米技術(shù)的發(fā)展，表面等離子體被廣泛研究用于光子學(xué)，數(shù)據(jù)存儲，顯微鏡，太陽能電池和生物傳感等方面。 編輯本段科學(xué)歷史1902年，R. W. Wood在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)了表面等離激元共振現(xiàn)象 。1941年，U. J. Fano等人根據(jù)金屬和空氣界面上表面電磁波的激發(fā)解釋了這一現(xiàn)象 。R. H. Ritchie注意到，當(dāng)高能電子通過金屬薄膜時(shí)，不僅在等離激元頻率處有能量損失，在更低頻率處也有能量損失峰，并認(rèn)為這與金屬薄膜的界面有關(guān) 。1959年，C. J.

3、Powell和J. B. Swan通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了R. H. Ritchie的理論 。1960年，E. A. Stren和R. A. Farrel研究了此種模式產(chǎn)生共振的條件并首次提出了表面等離激元（Surface Plasmon，SP）的概念 。在納米技術(shù)成熟之后，表面等離子體受到了人們極大的關(guān)注，成為目前研究的熱點(diǎn)。它已經(jīng)被應(yīng)用于包括生物化學(xué)傳感，光電子集成器件多個(gè)領(lǐng)域。 編輯本段基本原理表面等離子體（Surface Plasmons，SPs）是指在金屬表面存在的自由振動的電子與光子相互作用產(chǎn)生的沿著金屬表面?zhèn)鞑サ碾娮邮杳懿āＦ洚a(chǎn)生的物理原理如下：如作圖所示，在兩種半無限大、各向同性介質(zhì)構(gòu)成

4、的界面，介質(zhì)的介電常數(shù)是正的實(shí)數(shù)，金屬的介電常數(shù)是實(shí)部為負(fù)的復(fù)數(shù)。根據(jù)maxwell方程，結(jié)合邊界條件和材料的特性，可以計(jì)算得出表面等離子體的場分布和色散特性。    金屬膜與電介質(zhì)表面間的等離子體振蕩編輯本段特性一般來說，表面等離子體波的場分布具有以下特性： 1.其場分布在沿著界面方向是高度局域的，是一個(gè)消逝波，且在金屬中場分布比在介質(zhì)中分布更集中，一般分布深度與波長量級相同。 2.在平行于表面的方向，場是可以傳播的，但是由于金屬的損耗存在，所以在傳播的過程中會有衰減存在，傳播距離有限。 3.表面等離子體波的色散曲線處在光纖的右側(cè)，在相同頻率的情況下，其波矢量比光波矢量要

5、大。 編輯本段激發(fā)方式由于在一般情況下，表面等離子體波的波矢量大于光波的波矢量，所以不可能直接用光波激發(fā)出表面等離子體波。為為了激勵表面等離子體波，需要引入一些特殊的結(jié)構(gòu)達(dá)到波矢匹配，常用的結(jié)構(gòu)有以下幾種： 采用棱鏡耦合的方式棱鏡耦合的方式包括兩種：一種是Kretschmann結(jié)構(gòu)：金屬薄膜直接鍍在棱鏡面上，入射光在金屬-棱鏡界面處會發(fā)生全反射，全反射的消逝波可能實(shí)現(xiàn)與表面等離子體波的波矢量匹配，光的能量便能有效的傳遞給表面等離子體，從而激發(fā)出表面等離子體波。這是目前廣泛用于表面等離子體的科研與生產(chǎn)的一種結(jié)構(gòu)。另一種是Otto結(jié)構(gòu)：具有高折射率的棱鏡和金屬之間存在狹縫，狹縫的寬度比較小，大約幾

6、十到幾百個(gè)納米，這樣使用起來比較不方便，所以只有在科研的過程中會偶爾用到。 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)利用波導(dǎo)邊界處的消逝波激發(fā)表面等離子體波，使波導(dǎo)中的光場能量耦合到表面等離子體波中。如圖所示，波導(dǎo)兩側(cè)光波是消逝波，當(dāng)在波導(dǎo)的某個(gè)位置鍍上金屬，這樣當(dāng)光波通過這個(gè)區(qū)域的時(shí)候就能夠激發(fā)出表面等離子體波。在實(shí)際的研究中，常采用光纖做波導(dǎo)，剝?nèi)ス饫w某段的包層，再鍍上金屬，這樣就實(shí)現(xiàn)了一種最簡單的波導(dǎo)激發(fā)表面等離子體波的結(jié)構(gòu)。 采用衍射光柵結(jié)構(gòu)利用光柵引入一個(gè)額外的波矢量的增量實(shí)現(xiàn)波矢量的匹配。這是目前研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，常用的光柵主要是一維光柵，二維光柵以及孔陣列結(jié)構(gòu)和顆粒陣列，圖中是一維的光柵結(jié)構(gòu)。由于光柵結(jié)構(gòu)的材料

7、參數(shù)與幾何參數(shù)等都可以自己選定，可供研究的內(nèi)容很豐富。這種結(jié)構(gòu)一方面能夠激發(fā)表面等離子體波，另一方面二維光柵結(jié)構(gòu)中能夠引入能帶，從而使得表面波的特性受到能帶的影響，使得器件的參數(shù)更加可控。      采用強(qiáng)聚焦光束利用高數(shù)值孔徑的顯微目鏡直接接觸到介質(zhì)層，在介質(zhì)層與目鏡之間涂上匹配油層，高數(shù)值孔徑能夠提供足夠大的入射角，能夠?qū)崿F(xiàn)波矢量匹配，從而激發(fā)出表面等離子體波。 采用近場激發(fā)用一個(gè)尺寸小于波長的探針尖在近場范圍內(nèi)去照射金屬表面，由于探針尖尺寸很小，從探針尖出來的光會包含波矢量大于表面等離子體波矢量的分量，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)波矢量的匹配。 編輯本段研究方法

8、與工藝技術(shù)      目前用來研究的表面等離子體效應(yīng)的理論方法主要有一下幾種： 1.時(shí)域有限差分方法（Finite Difference Time Domain ，簡稱FDTD）。FDTD方法是把 Maxwell 方程式在時(shí)間和空間領(lǐng)域上進(jìn)行差分化。利用蛙跳式(Leaf flog algorithm)-空間領(lǐng)域內(nèi)的電場和磁場進(jìn)行交替計(jì)算，通過時(shí)間領(lǐng)域上更新來模仿電磁場的變化，達(dá)到數(shù)值計(jì)算的目的。用該方法分析問題的時(shí)候要考慮研究對象的幾何參數(shù)，材料參數(shù)，計(jì)算精度，計(jì)算復(fù)雜度，計(jì)算穩(wěn)定性等多方面的問題。其優(yōu)點(diǎn)是能夠直接模擬場的分布，精度比較高，是目前使用比較

9、多的數(shù)值模擬的方法之一。 2.嚴(yán)格耦合波方法（rigorous coupled-wave analysis ，簡稱RCWA）。該方法是分析光柵的有利工具，它是基于嚴(yán)格的矢量maxwell方程來分析的。由于在很多的表面等離子的結(jié)構(gòu)中都會引入衍射光柵結(jié)構(gòu)，所以RCWA方法也被越來越多的學(xué)者用來分析相關(guān)的問題，并且取得了不錯(cuò)的效果。 3.有限元方法（Finite Element Method，簡稱FEM）。該方法也是一種數(shù)值模擬方法，它采用簡單的問題來近似復(fù)雜的問題，在有限元內(nèi)取近似解逼近精確解。該方法分析的是一種近似結(jié)果，但是能解決很多的問題，目前應(yīng)用也比較廣泛。 這方面的分析還有其他一些特殊的方

10、法，主要是針對不同的結(jié)構(gòu)，不同的材料二提出，在此就不一一列出。 由于目前的表面等離子體器件的尺寸都大多處在亞波長量級，所以制作表面等離子體器件采用的基本是微納加工的技術(shù)。主要技術(shù)如下： 1.電子束曝光技術(shù)：這一步是實(shí)現(xiàn)小尺寸器件制作的一個(gè)關(guān)鍵和核心的步驟，也可以采取全息等手段，但是效果不如電子束。但是電子束曝光不能制作大面積的器件，這是它的一個(gè)弱點(diǎn)。 2.金屬剝離技術(shù)：制作金屬光柵結(jié)構(gòu)的核心步驟之一。在電子束曝光之后形成的圖形上，采用金屬剝離的技術(shù)能夠制作出效果很好的金屬微納結(jié)構(gòu)。目前這一技術(shù)相對比較成熟。 3。干法刻蝕技術(shù)：制作金屬微納孔結(jié)構(gòu)可以采用該方法。干法刻蝕是利用等離子原理有選擇地從

11、芯片表面去除不需要的材料的過程。干法刻蝕主要包括等離子增強(qiáng)反應(yīng)離子刻蝕、電子回旋共振刻蝕（ECR）、感應(yīng)耦合等離子體刻蝕（ICP）等蝕刻技術(shù)。 還有其他的一些特殊工藝應(yīng)用在整個(gè)實(shí)驗(yàn)與制作的過程中，像電子束蒸發(fā)，離子濺射等技術(shù)。 編輯本段技術(shù)應(yīng)用1.表面等離子體波是在兩種界面附近存在的波，界面兩側(cè)的折射率分布對場分布有很大的影響，利用這一點(diǎn)能夠進(jìn)行傳感。目前利用Kretschmann結(jié)構(gòu)進(jìn)行生物傳感的技術(shù)已經(jīng)得到了極大的發(fā)展，這種傳感技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，檢測過程中無需標(biāo)記物，可實(shí)時(shí)監(jiān)測樣品結(jié)合過程，傳感芯片可重復(fù)利用，響應(yīng)速度快等諸多特點(diǎn)。目前該技術(shù)可用于氣體、 液體和有機(jī)薄膜等分析，目前主

12、要用于生命科學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域。目前市場上主要產(chǎn)品有瑞典Biocore AB公司生產(chǎn)的Biocore 3000等。 2.表面等離子體波具有局域分布的特性，而且其分布深度可小于波長量級，突破衍射極限，使得表面等離子體波能夠應(yīng)用于制作亞波長量級的光電子器件的生產(chǎn)，有利用光電子集成器件的制作。例如：可以制作亞波長量級的波導(dǎo)，亞波長量級的布拉克反射鏡,亞波長量級的透鏡等。由于能夠突破極限，所以能夠應(yīng)用表面等離子體效應(yīng)來做近場顯微鏡，做曝光等等。 3.表面等離子體波在太陽能電池和LED等新型能源相關(guān)器件方面的應(yīng)用。目前可以在太陽能電池上利用表面等離子體效應(yīng)來提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，同樣也可以在LED上應(yīng)

13、用表面等離子體效應(yīng)提高其出光效率。如果能研制出商業(yè)化的產(chǎn)品，那么對于解決人類的能源問題，表面等離子體波也能貢獻(xiàn)自己的一份力量。 編輯本段未來發(fā)展方向1.表面等離子體與非線性效應(yīng)之間的影響。由于表面等離子體的強(qiáng)局域性，利用其來研究非線性現(xiàn)象是一個(gè)很好的手段。目前這方面的研究還處在一個(gè)起步的階段，還需要大量的研究工作。 2.制作全等離子體回路。目前表面等離子體在制作亞波長量級的光子器件上已經(jīng)顯示出了很大的潛力，像波導(dǎo)，反射鏡，分束器，投射增強(qiáng)器與合波器等等，但是要制作全等離子體回路還需要一段時(shí)間。 表面等離子體是一個(gè)很有趣的現(xiàn)象，目前有許多值得研究的方向，有許多激動人心的結(jié)果，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，將會有越來越多的表面等離子體器件進(jìn)入市場，服務(wù)人類。 擴(kuò)展閱讀： · 1 PLASMONICS:FUNDAMENTALS AND APPLICATIONS 作者：S. A.MALER 出版時(shí)間：2007 出版社：Springer· 2 http:/alphard.ethz.ch/Moreno/moreno.htm· 3