表面等离激元【参考仅供】

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光学中的表面等离激元方程

光学中的表面等离激元方程在物理学中，表面等离激元(surface plasmon)是指金属表面上被激发出来的电磁波，它们与电子和光子之间的相互作用导致了一系列神奇的物理现象，如透射光谱、增强荧光、表面增强拉曼散射(SERS)等等。

这些现象在科学研究和实际应用中具有重要的意义，因此表面等离激元的研究成为了热点领域之一。

在光学中，表面等离激元可以通过麦克斯韦方程组的求解得到，其中最基本的方程即是麦克斯韦方程的波动方程(wave equation)。

这个方程描述了电磁波的传播过程，并且可以用来计算表面等离激元的频率和波矢。

然而，在金属表面的情况下，电磁波的传播行为并不像在空气或真空中那样简单。

这是因为金属表面存在自由电子，它们可以吸收入射光子的能量并发生共振激发，从而形成表面等离激元。

这种自由电子的行为需要用到泊松方程(poisson equation)和电流连续性方程(current continuity equation)来描述。

泊松方程描述了金属内部的电势分布，其形式为：∇²Φ = -ρ/ε其中，Φ表示电势，ε表示介电常数，ρ表示电荷密度。

这个方程描述了自由电子的电荷分布对金属内部电势的影响。

电流连续性方程描述了自由电子的运动行为，其形式为：∇·J + ∂ρ/∂t=0其中，J表示电流密度。

这个方程描述了自由电子在金属内部的流动行为，以及它们的电荷密度随时间的变化。

利用波动方程、泊松方程和电流连续性方程，可以得到关于表面等离激元频率(ω)和波矢(k)的方程，称为等离子体色散方程(plasma dispersion equation)：ω² = ωp² + c²k²/ε(m)其中，ωp表示等离子体频率，它与自由电子的振荡频率有关，c表示光在介质中的传播速度，ε(m)表示介质的相对介电常数。

这个方程描述了表面等离激元的频率与波矢之间的关系。

当光传播到金属表面时，如果满足这个方程的条件，就可以激发出表面等离激元。

表面等离激元技术的研究及其应用

表面等离激元技术的研究及其应用表面等离激元（Surface plasmon）是一种在金属表面上发生的电磁波传播形式。

它是由金属中的自由电子通过共振相互作用而引起的。

在表面等离激元现象中，电磁波通过金属表面上的自由电子运动来传播，形成一种局域电磁波场。

近年来，表面等离激元技术被广泛应用于生物化学、物理学、光电学等领域中，发展迅速。

本篇文章将探讨表面等离激元技术的研究及其应用。

一、表面等离激元的研究表面等离激元的研究起源于19世纪末，当时研究人员注意到金属颗粒表面上的电场强度比体内电场强度大得多。

20世纪初，通过对金属的光电子研究，研究人员发现表面等离激元相当于金属表面上的局域振荡，这种振荡引发了电磁波的共振。

随着科学技术的发展，表面等离激元的研究也得到了进一步的深入。

20世纪中叶，科学家们开始在新材料、新技术、新装置等方面进行实验研究，以提高表面等离激元的性能和应用。

二、表面等离激元技术在生物化学中的应用1.表面等离激元技术在蛋白质分析中的应用表面等离激元技术可用于生物大分子的检测和分析。

例如在蛋白质研究中，可以将蛋白质样品吸附在金属表面上，然后通过表面等离激元的共振效应来测量蛋白质的折射率和吸收性。

2.表面等离激元技术在细胞成像中的应用通过表面等离激元技术，可以直接观察和检测生物细胞内的化学成分。

利用表面等离激元的高分辨率，可以对微生物和癌细胞的细胞膜进行成像，检测其组成和生理功能。

三、表面等离激元技术在物理学中的应用1.表面等离激元技术在太阳能电池中的应用太阳能电池的最大问题是其转换效率限制。

利用表面等离激元技术，可以设计出具有更高转换效率的太阳能电池。

在新型太阳能电池的研究中，利用表面等离激元的特性来提高太阳能电池的光吸收效率，从而提高电能产生能力。

2.表面等离激元技术在传感器中的应用表面等离激元技术在传感器中被广泛应用。

传感器通常用于溶解性分析、光谱学分析、气体检测、生物标记物检测和环保监测等，表面等离激元技术能够提供高分辨率和灵敏度，从而提高传感器的性能。

表面等离激元

“表面等离激元”是一种光学现象，它发生在反射界面上，表明光线可以在反射界面上维持相对平衡的态势。

表面等离激元这一物理现象是由法国物理学家埃里克·斯托克尔于1817年发现的。

他在研究光线在反射界面上的行为时发现，光线在反射界面上可以形成一个等离激元，即反射界面上的一个小小区域，其中光线不会穿过反射界面，而是在反射界面上穿行，使得光线在反射界面上维持相对平衡的态势。

此外，表面等离激元还可以用于诊断表面的状态。

它可以用来检测表面的摩擦系数、弹性系数以及表面的疏水性。

它还可以在几种材料之间的界面上进行检测，以确定这些界面的性质。

另外，表面等离激元也可以用于建设光学滤波器，例如分离颜色光谱的滤波器，以及用于分离多种类型的光谱。

表面等离激元也可以用于生物和化学分析，以及分离光纤中的信号。

总之，表面等离激元是一种重要的物理现象，可以用于诊断表面状态、构建光学滤波器和用于生物和化学分析等多种用途。

光电子器件的表面等离激元研究考核试卷

2.表面等离激元的共振频率与金属的______和______有关。
3.在表面等离激元共振传感器中，生物分子与金属表面的相互作用会导致______的变化。
4.金属纳米颗粒的______和______可以调控表面等离激元的共振特性。
5.表面等离激元在光电子器件中的应用主要包括______、______和______。
3.表面等离激元技术可以通过金属纳米结构的设计来增强光的吸收和散射，提高太阳能电池对光的捕获能力，从而提升光吸收效率和转换效率。
4.表面等离激元共振传感器在生物检测领域的应用具有高灵敏度、实时监测和无需标记等优点，但局限性包括可能存在的假阳性信号和生物分子识别的特异性问题。
D.光的波长
14.表面等离激元的损耗机制包括：
A.辐射损耗
B.非辐射损耗
C.介质吸收损耗
D.金属内部损耗
15.以下哪些现象与表面等离激元相关？
A.颜色变化
B.热效应
C.电荷分离
D.磁效应
16.表面等离激元光电子器件的设计中，以下哪些考虑是重要的？
A.金属纳米结构的排列方式
B.金属纳米结构的间隙
C.金属纳米结构的尺寸
10.在表面等离激元光电子器件的设计中，需要考虑金属纳米结构的______和______以优化器件性能。
四、判断题（本题共10小题，每题1分，共10分，正确的请在答题括号中画√，错误的画×）
1.表面等离激元只能在金属表面传播。（）
2.表面等离激元的共振频率与金属的种类无关。（）
3.表面等离激元可以增强光电转换效率。（）
10.表面等离激元共振技术可以用于实时监测生物分子间的相互作用。（）
五、主观题（本题共4小题，每题5分，共20分）
1.请描述表面等离激元（SPR）的基本原理，并解释为什么它在光电子器件和生物传感领域有着重要的应用。

表面等离激元

表面等离激元1.表面等离激元(SPP)的定义、性质及激发方式。

表面等离激元（SPPs）定义为自由电子与电磁场相互作用产生的沿金属表面传播的电子疏密波。

性质1. 在垂直于界面的方向场强呈指数衰减2.能够突破衍射极限;3.具有很强的局域场增强效应;4.只能发生在介电参数(实部)符号相反(即金属和介质)的界面两侧。

激发方式:1.棱镜耦合Kretschamann与Otto结构2.光栅(金属表面缺陷)耦合k//=k0sinq±Nkg= kspp 3.波导模耦合4.强聚焦光束(SNOM)2.理解并掌握金属电介质SPP色散关系的物理意义。

3.选择一种SPP的应用简述原理。

4.光子晶体的基本概念、定义、特性、带隙成因及其与电子材料的区别。

光子晶体是指具有光子带隙（PhotonicBand-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构。

由于介电常数存在空间上的周期性，进而引起空间折射率的周期变化。

当介电系数的变化足够大且变化周期与光波长相当时，光波的色散关系会出现带状结构，介电常数周期性排列的方向并不等同于带隙出现的方向，在一维光子晶体和二维光子晶体中，也有可能出现全方位的三维带隙结构。

特性:1.抑制自发辐射，带隙中态密度为零，自发辐射几率也就为零，这也就抑制了自发辐射。

2.光子局域化，当光子晶体原有的对称性遭到破坏时，即有了缺陷，在光子晶体中禁带中就可能出现频宽极窄的缺陷态或局域态，与缺陷态频率符合的光子会被局限在缺陷位置，而不能向空间传播。

带隙成因:电磁波在周期性电介质材料中传播时，由于受到调制而形成光子能带结构，频率落在带隙内的电磁波不能通过介质而被全部反射，即形成光子带隙。

电子材料:电子在周期场中传播时，由于会受到周期势场的布拉格散射，会形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。

电子波的能量如果落在带隙中，传播是禁止的。

电子材料是通过周期性的晶体结构从而产生周期性势垒，按照薛定谔方程形成带隙。

电磁波是通过周期性的介电常数，按照麦克斯韦方程形成光子带隙。

表面等离激元

表面等离激元介绍定义及原理：当光波（电磁波）入射到金属与介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波，如果电子的振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时就形成的一种特殊的电磁模式：电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，这种现象就被称为表面等离激元现象。

性质：表面等离激元是外界光场与金属中自由电子相互作用的电磁模，在这种相互作用下外界光场被集体振荡的电子俘获，构成了具有独特性质的SPPs 。

在平坦的金属/介质界面，SPPs 沿着表面传播，由于金属中欧姆热效应，它们将逐渐耗尽能量，只能传播到有限的距离，大约是纳米或微米数量级。

只有当结构尺寸可以与SPPs 传播距离相比拟时，SPPs 特性和效应才会显露出来。

随着工艺技术的不断进步，现今已经可以制作特征尺寸为微米和纳米级的电子元件和回路，在这个领域的研究也迅速开展起来。

表面等离激元主要具有如下的的基本性质:1. 在垂直于界面的方向场强呈指数衰减;2. 能够突破衍射极限;3. 具有很强的局域场增强效应;4. 只能发生在介电参数(实部)符号相反(即金属和介质)的界面两侧。

表面等离激元的激发：由于表面等离激元在界面附近的电场方向与界面垂直，要激发表面等离激元，光波必须具有与界面垂直的电场分量。

此外，在激发表面等离激元的过程中，还需要满足波矢匹配条件。

相同频率下，金属与介质界面的表面等离激元与光波的波矢关系可以表示为：2/121210)(εεεε+=k k spp ，其中spp k 是表面等离激元波矢，0k 是光波波矢。

一般来说，对于介质01>ε；而对于金属，212;0εεε<<且。

相同频率时，表面等离激元的波矢大于光波波矢，所以用平面光波无法直接激发出表面等离激元。

要想实现光激发，就必须通过特殊方法来补偿光波损失，使波矢匹配条件成立。

Lecture5表面等离激元(课堂)-2022年学习资料

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表面等离激元-a-Dielectric-由AAA:-δa-Metal-局域在表面（界面）附近的电子密度振荡 air-metal-8-振荡波沿着表面方向传播
表面等离激元的经典描述-non-retarded regime,light speed co-由麦克斯韦方组：-10-VXH:=eic月-Ei=0-1∂-V xEi=--.0H;=0-c∂t-V.e;E=0-7· ;=0,-Z=0-i=1 at<0,and i=2 at>0.-9
等离激元：起源于电子间的长程库伦相互作用-微观尺度上电子密度的起伏：电子气体相对于正离子背景的集体振荡！米颗粒中的电子气的集体振荡-类比例子：容器中水波的振荡-5
等离激元的经典描述-设电子气相对与正电背景的位移为x,则产生的电场为：-E=nex/8o-作用在每个电子上恢复力为-E,电子气的运动方程为：-d2x-=-meE=_-e'x-nm-+0x=0-其中：，=nen-对于频率为w,的简谐振动的运动方程！-在量子理论中，其振荡的能量w。是量子化的，其能量量子称为等离激元。
真空-金属界面的等离激元-z）-δn-no-VACUUM-METAL Ew-εw=1-2-2,9,o=,g 2,q,o-可-8oEz,q,o,z>0-Ez,9,⊙，z<0-10

表面等离激元共振

表面等离激元共振在生物医学领域中可用于实现高分辨率、高灵敏度的成像与诊断，有助于疾病的早期发现和治疗。
表面等离激元共振在太阳能电池等领域中，可以提高光电转换效率，促进可再生能源技术的发展。
表面等离激元共振的历史与发展
早期研究
表面等离激元共振的研究始于20世纪初，但直到近年来随着纳米技术的快速发展，才得到了广泛关注和应用。
受介质影响
当表面等离激元遇到不同介质时，会发生反射、折射或耦合等现象。
表面等离激元的共振条件
波矢匹配
当入射光波的波矢与表面等离激元的波矢相匹配时，会发生共振增强效应。
能量守恒
入射光能量与表面等离激元的能量必须相匹配，才能实现共振。
动量守恒
入射光与表面等离激元必须满足动量守恒定律。
03
表面等离激元共振的应用
光电探测器
用于检测共振产生的光信号，如光电流或光电压。
激光器
提供共振所需的光源，通常选用可见光波段的激光。
金属纳米结构
制备具有特定形貌和尺寸的金属纳米结构，如纳米颗粒、纳米棒、纳米片等。
实验步骤与操作
样品制备
在玻璃基底上制备金属纳米结构样品，可以采用物理气相沉
积、化学合成等方法。
光学显微镜观察
THANK YOU
实验验证难度
表面等离激元共振的实验验证是另一个技术挑战。由于表面等离激元共振的特性，实验验证需要高精度的测量设备和复杂的实验条件，这增加了实验验证的难度。
理论模型的不完善
目前对表面等离激元共振的理论模型仍不完善，这限制了对表面等离激元共振的深入理解和应用。需要进一步发展理论模型，提高理论预测的准确性和可靠性。
调控光电流
通过表面等离激元共振，可以调控太阳能电池中的光电流方向和大小，优化能源利用效率。

表面等离激元

性质：表面等离激元是外界光场与金属中自由电子相互作用的电磁模，在这种相互作用下外界光场被集体振荡的电子俘获，构成了具有独特性质的SPPs。

在平坦的金属/介质界面，SPPs沿着表面传播，由于金属中欧姆热效应，它们将逐渐耗尽能量，只能传播到有限的距离，大约是纳米或微米数量级。

只有当结构尺寸可以与SPPs传播距离相比拟时，SPPs特性和效应才会显露出来。

随着工艺技术的不断进步，现今已经可以制作特征尺寸为微米和纳米级的电子元件和回路，在这个领域的研究也迅速开展起来。

表面等离激元主要具有如下的的基本性质:在垂直于界面的方向场强呈指数衰减;能够突破衍射极限;具有很强的局域场增强效应;只能发生在介电参数(实部)符号相反(即金属和介质)的界面两侧。

表面等离激元的激发：由于表面等离激元在界面附近的电场方向与界面垂直，要激发表面等离激元，光波必须具有与界面垂直的电场分量。

此外，在激发表面等离激元的过程中，还需要满足波矢匹配条件。

相同频率下，金属与介质界面的表面等离激元与光波的波矢关系可以表示为：，其中是表面等离激元波矢，是光波波矢。

一般来说，对于介质；而对于金属，。

相同频率时，表面等离激元的波矢大于光波波矢，所以用平面光波无法直接激发出表面等离激元。

要想实现光激发，就必须通过特殊方法来补偿光波损失，使波矢匹配条件成立。

目前主要通过全反射和散射波矢补偿两种方法。

应用：随着表面等离激元理论研究的深入以及各种结构的器件的成功制作，其在光学各领域应用具有巨大的潜力，尤其在解决了一些以往光学长期不能解决的问题，其中包括金属亚波长结构的增透效应在超分辨率纳米光刻、高密度数据存储、近场光学等领域的应用。

表面等离激元

表面等离激元
表面等离激元是一种物质表面上生成的量子现象，它是由电子或
其它粒子的表面辐射而产生的。

表面等离激元也被称为薛定谔光子，又或通常称为表面等离激元散射或表面等离激元发射，它是
当电子和其它粒子受到较高能量条件的冲击，高能粒子释放出的
物质表面上的微小散射现象。

表面等离激元的发现可追溯到二十世纪的晚期，当时物理学家薛
定谔假设了一种解释辐射的力学模型，可用来解释电子在物质表
面受到辐射时、所产生的等离激元现象。

这样，当具有足够高能
量的电子或其它高能粒子（比如X射线等）击中某种物质表面时，将会产生表面等离激元现象，从而激发电子并使其跃迁到更高的
能量状态，从而排放出光子。

表面等离激元散射现象是这种现象
的特征表现。

表面等离激元的研究为物理和材料科学提供了丰富的研究方向。

它可以被运用于物质表面外延生长中的自体表面活化，以及电子学、材料学和光电子学等领域。

在生物学领域，表面等离激元还可用来研究细胞膜外层结构的形成和固态变化等。

此外，该现象还在应用物理、工程、医疗等领域不断拓展其研究面，也正在被用于先进的材料设计和表面增强等技术。

因此，表面等离激元是一种由物质表面受到高能量冲击而发出的量子现象，它具有广泛的应用前景
可用于物理、工程、生物学及其它领域等。

它不仅使科学家们获得更大的自由度去探索表面辐射现象，而且希望能为更多领域的研究带来重要信息，并有助于人们了解空间的辐射现象。

敏感元件的表面等离激元技术考核试卷

（）（）
9.在环境监测领域，表面等离激元共振传感器可以用于检测______和______等污染物。
（）（）
10.通过对表面等离激元共振传感器的结构进行优化设计，可以实现对______的选择性检测。
（）
四、判断题（本题共10小题，每题1分，共10分，正确的请在答题括号中画√，错误的画×）
1.表面等离激元共振传感器对环境变化不敏感。（）
A.光谱技术
B.光强检测
C.阻抗谱技术
D.傅里叶变换红外光谱
11.敏感元件的表面等离激元共振特性受到以下哪些因素的影响？（）
A.表面粗糙度
B.金属层的结晶度
C.介质层的均匀性
D.光源的光谱分布
12.以下哪些方法可以用于提高表面等离激元共振传感器的灵敏度？（）
A.增加金属层的厚度
B.减小介质层的厚度
C.优化光路设计
2.以下哪些因素会影响表面等离激元共振传感器的性能？（）
A.金属层的材料
B.介质层的材料
C.光的入射角度
D.环境湿度
3.表面等离激元共振传感器可用于检测以下哪些类型的物质？（）
A.生物分子
B.化学物质
C.物理参数
D.光的波长
4.以下哪些技术可以用于表面等离激元共振传感器的信号增强？（）
A.镜面增强
B.激光热效应
D.光的波长范围选择
三、填空题（本题共10小题，每小题2分，共20分，请将正确答案填到题目空白处）
1.表面等离激元共振技术中，金属表面的自由电子与入射光相互作用产生的集体振荡模式称为______。
（）
2.在表面等离激元共振传感器中，金属层的厚度通常在______纳米左右。
（）
3.表面等离激元共振传感器的检测灵敏度可以通过优化______来提高。

人工表面等离激元及其在微波频段的应用

3、实验实现
实验实现是人工表面等离激元从理论走向实际应用的关键环节。实验中，通常采用电子束光刻、离子束刻蚀等技术制备人工表面等离激元阵列结构；采用光学测量、电子显微镜观察等方法检测人工表面等离激元的传播特性。
四、人工表面等离激元的优点与不足
1、优点
人工表面等离激元具有许多优点。首先，它具有突破衍射极限的聚焦能力，可以实现纳米尺度上光子的空间调控和传输；其次，人工表面等离激元对光的局域和敏感性使其在传感器、电子器件等领域具有广泛的应用前景；此外，人工表面等离激元还具有低色散、低损耗等特性，使其在光子调控领域具有重要意义。
参考内容
在过去的十年中，人工表面等离激元（SPPs）的研究已经成为纳米光子学和纳米电子学的前沿领域。作为一种特殊的电磁波，人工表面等离激元可以在金属和电介质界面的近场区域产生强烈的局域场增强效应，从而为各种微纳光电器件的开发和应用提供了新的可能性。本次演示将重点探讨人工表面等离激元的传输特性。
五、未来展望
随着科学技术的不断进步，人工表面等离激元在微波频段的应用前景令人期待。未来，人们将探索更多新型的人工表面等离激元结构和功能，例如设计具有更高效聚焦能力、更长传播距离的人工表面等离激元；研究人工表面等离激元在光子晶体、光子集成电路等领域的应用；探索人工表面等离激元与其他纳米光子技术的结合，例如纳米光纤、光子晶体波导等。人们还将致力于提高人工表面等离激元的制备工艺，以实现其广泛应用。
2、不足
尽管人工表面等离激元具有许多优点，但也存在一些不足。首先，由于人工表面等离激元的制备需要高精度的制造工艺，因此其制备难度较大；其次，人工表面等离激元的传播距离较短，限制了其在实际应用中的范围；此外，由于人工表面等离激元对环境因素的敏感性，使其在实际应用中可能受到外部环境的影响较大。

第五课：表面等离激元

z=0
n （ D2 D1 ) n ( E2 E1 ) 0

z≠0
0, ( z 0) ( z ) 1, ( z 0)
代入
z=0
Retarded regime (light speed c is finite)
由麦克斯韦方程组：
可以证明：s-polarized wave (TE mode) 在表面上不能存在！因此，我们只考虑 p-polarized wave (TM mode)：
表面等离激元
局域在表面（界面）附近的电子密度振荡
振荡波沿着表面方向传播
表面等离激元的经典描述 (non-retarded regime, light speed c)
由麦克斯韦方程组：
=0 =0
真空-金属界面的等离激元
Φ(z) δn n0 METAL ε(ω)
VACUUM
ε(ω)=1
0
表面等离激元的微观描述表面等离激元的杂化理论表面等离激元的激发和探测

电子激发光子激发
等离激元：起源于电子间的长程库伦相互作用
e e-
e e-
微观尺度上电子密度的起伏：电子气体相对于正离子背景的集体振荡 !
纳米颗粒中的电子气的集体振荡
类比例子：容器中水波的振荡
等离激元的经典描述
n+
n0
ε (ω )
d//
ε (ω )=1 0
z
B
d⊥
V (V z B )
( ) Ei ( z, q, ), ( z B), Di ( z, q, ) Ei ( z, q, ), ( z V ).
对任意z:Βιβλιοθήκη s cq s / c

化学物理学中的新研究——表面等离激元

化学物理学中的新研究——表面等离激元随着科学技术的不断进步，各种新的研究领域也不断涌现。

在化学物理学中，表面等离激元就是一项新兴的研究领域。

它在实际应用中具有广泛的应用场景和重要的作用。

一、表面等离激元的概念表面等离激元是一种集体的、准粒子型的激发态，可以在介质表面上引起电磁波局部增强。

表面等离激元可以与外部电磁波相互作用，形成表面等离子共振，使电磁波在界面上产生强烈的局部场。

因此，表面等离激元通常被视为一种局部电场和静电场，同时也可以被看作是一种电磁波的束缚态。

表面等离激元在化学物理学中有许多重要的应用，比如可以用来增强荧光信号、增强光催化活性、提高表面增强拉曼散射等。

因此，表面等离激元在化学物理学中具有广泛的应用前景和深远的意义。

二、表面等离激元的产生机制表面等离激元的产生机制十分复杂，目前还没有一个完全统一的理论来解释它。

但是可以根据材料的性质和外部电磁场的特点来大致分为两类：金属基底和介电体基底。

对于金属基底，表面等离激元的形成主要是由于金属电子和外部电磁场之间的相互作用导致的。

金属表面的自由电子与光线中的电场发生相互作用，从而形成电荷排列模式，进而形成表面等离激元。

此时，表面等离激元的频率和强度主要由金属表面的形貌、金属的电子密度和光场的波长和偏振等因素所决定。

而对于非金属介电体基底，则表面等离激元的产生主要是由于表面极性分子和外部电磁场之间的相互作用导致的。

介电体表面上的分子团簇与光线中的电场发生相互作用，最终形成表面等离激元。

此时，激元的频率和强度主要由介电体的折射率、分子极性和分子间距以及辐射场的波长和偏振等因素所决定。

三、表面等离激元的应用表面等离激元在化学物理学中有着广泛的应用领域。

下面列举几个重要的应用案例。

1. 表面等离激元增强荧光信号利用表面等离激元可以增强荧光信号的强度和稳定性。

当一种荧光分子与一个金纳米颗粒结合时，表面等离激元会在纳米颗粒表面上产生强烈的电场，使荧光分子发生强烈的局部场增强效应，从而显著增强荧光信号的强度和稳定性。

表面等离激元效应

表⾯等离激元效应⾦属材料表⾯的等离激元表⾯等离激元理论涉及到⾦属中电⼦的共谐振荡和麦克斯韦⽅程求解等较为复杂的物理和数学知识,其相关概念如下。

1. 表⾯等离激元 (SPPs)SPPs是光和⾦属表⾯的⾃由电⼦相互作⽤增强了电⼦集体振动所引起的⼀种电磁波模式,或者说是在局域⾦属表⾯的⼀种⾃由电⼦和光⼦相互作⽤形成的混合激发态。

当具有⾦属薄膜结构的电池器件受到⼊射光照射时，在⾦属膜与介质形成的界⾯上也会产⽣表⾯等离激元共振，形成表⾯等离激元模式。

2. 局域表⾯等离激元共振(LSPR)当电磁波与微纳尺⼨的⾦属粒⼦（包括纳⽶级颗粒、微结构、缺陷等）相互作⽤时，载流电⼦与电磁场耦合产⽣共振效应（表⾯等离激元共振），导致粒⼦内部和外部近场区域的场放⼤，⽽外场作⽤下产⽣的这种表⾯等离激元波会被局限在微纳⾦属结构附近的亚波长尺⼨范围之内，且不会发⽣SPPs似的传播，这样的表⾯等离激元叫做局域表⾯等离激元。

3. 表⾯等离激元和⼊射光的耦合⽅式如图是在太阳能电池结构中表⾯等离激元和⼊射光的耦合⽅式：a.多重散射主导的光俘获；b.局域表⾯等离激元共振主导的光俘获；c.吸收层/⾦属（光栅）薄膜界⾯表⾯等离激元主导的光获。

⾦属纳⽶颗粒发⽣表⾯等离激元共振时，其散射截⾯相对于其⼏何截⾯要⼤很多，散射截⾯⼤约是其⼏何截⾯的10倍（图a）。

这使得散射光在半导体中以⼀定⾓度进⾏传播，光程得到有效增加。

当⾦属纳⽶颗粒放置于电池电介质层（称减反层）的前后表⾯（称前位和背位）时，会产⽣散射作⽤。

表⾯等离激元共振会对⼊射光产⽣很强的吸收，在⾦属纳⽶颗粒附近产⽣很强的电场，这种电场会在⾦属纳⽶颗粒附近的半导体材料中激发产⽣激⼦。

这种⽅式称为近场增强（图b）。

如果将⾦属纳⽶颗粒置于太阳电池电介质层（减反层）和功能层中，就有可能同时实现散射增强和近场增强。

表⾯局域和近场增强是表⾯等离激元的两个特有性质：在⾦属和半导体中场分布呈指数形衰减，在界⾯处呈现⾼度局域，因此表⾯等离激元在太阳电池的吸收层中能有效的陷光和导光（图c）。

物理学研究进展-表面等离激元篇

物理学研究进展表面等离子体共振技术及其应用表面等离子波SPW (surface plasmon wave)也译为表面等离子激元或表面电磁波,是沿金属和介质界面传播的表面电磁波.在一定条件下,SPW可与入射光TM(横磁波)极化能量耦合并被共振激发,这种现象称为表面等离子体共振SPR (surface plas2ma resonance).20世纪70年代初, Otto和Kretschmann等人的著名工作引起了SPR技术的研究热潮[1,2].此后SPR技术迅速发展起来,并在多个学科领域得到应用,如生化传感器、物理特性测量仪器、光波导偏振器、表面非线性光学检测、表面膜层特性研究等.本文介绍国内外SPR技术的一些最新应用.1 表面等离子体共振技术简介只有在一定的配置下,空间传播的光才能与SPW发生耦合,图1是三种SPR配置方式.Otto型和Kretschmann型都是利用全内反射形成的隐逝波.Otto型金属和全内反射表面之间有约几十纳米的介质间隙,金属可以是半无限宽的.这种配置的应用较少.Kretschmann型采用真空蒸镀,磁控溅射等方法直接在全内反射表面镀一层几十纳米厚的金属膜,是应用最为广泛的配置形式.在两种隐逝波耦合方式中,入射光必须为p偏振光,因为只有p偏振光有垂直于金属-介质界面的电场分量. 散射光栅型配置方式的数学形式十分复杂,结构相对简单.其耦合器件是表面为金属镀膜的光栅.此外,入射到粗糙金属表面的光也可与S P W发生耦合.设入射光角频率为ω,入射角为θ,介质介电常数为εd,则x方向上的波矢k x 为:根据Maxwell方程,可以推导出SPW波矢ksp:式中εM 为金属介电常数的实部,ε a 为金属表面电介质的介电常数,当k x = ksp 时,就产生共振,共振角为:产生SPR时,SPW可增强几百倍,因此SPR具有显著的表面增强效应.此外,SPR对金属膜表面介质的光学特性、入射角、入射光的波长和偏振状态、金属膜及其表面介质的厚度等因素十分敏感,这些性质使SPR现象能在许多方面得到应用.2 SPR传感器生化传感器已经广泛应用于高灵敏度生化检测[3].1983年, Liedberg等人首次将SPR 技术应用于生化传感器以来,在这一领域国内外每年都有大量论文发表[4].Biacore AB 公司率先开发出首台商品化SPR仪器,现已有数家国外公司出售此类产品,这个产业每年的产值达几十亿美元.这种传感器的原理基于SPR 对金属表面介质折射率变化的敏感特性.图2是商业型的SPR传感器的一般结构.对于棱镜型SPR 传感器,一般选择折射率较高的光学材料作棱镜.棱镜的形状可以是等腰直角三角形或半球形,其中半球形棱镜最为理想,入射光始终与棱镜表面垂直,减少光能的损失.为避免金属膜对棱镜表面的破坏,一般将金属膜镀在玻璃片上作为芯片,通过折射率与棱镜一致的匹配液将芯片固定在棱镜上.金属膜表面固定着一层具有分子识别功能的敏感膜. 早期的SPR传感器将分子直接吸附在金属膜表面形成敏感膜,后来Mor2gan等人发明了一种经典的方法,在金膜表面先覆盖一层生物素(biotin),然后固定一单层抗生物素蛋白链菌素(strep tavidin)[5].该方法可保证传感器表面的均一性和功能上的特异性.此外还有葡聚糖凝胶法、LB膜法和分子印膜法等.微流通池处理系统是一个反应装置,有两个端口以便液体样品的进出.敏感膜与样品在流通池中发生反应,并将待识别的分子吸附在敏感膜上,同时敏感膜介电常数发生变化,由此导致共振角和共振波长的变化.检测时可采用固定入射光波长扫描入射角的方法,此时可观测到待检测分子结合前后共振角的变化;也可采用固定入射角扫描入射光波长的办法,此时光源为复色光源,可观测到最佳共振波长的变化.SPR传感器灵敏度很高,一般在nmol 量级以上.此外还有相位检测的方法, Kabashin等人[6]采用p偏振的入射光,经分束器后分为一束参考光和一束信号光,观察干涉条纹的分布和强度变化,从而推导出信号光的相位变化和样品折射率的变化.实验中观测到的最小折射率变化为4 ×10-8,比扫描入射角的方法高两个数量级.Ho等人[7]采用的入射光偏振方向为任意的, s偏振的光经棱镜- 金属界面反射后相位变化不大,p偏振的光经棱镜- 金属界面反射后相位发生突变.光束经过共振吸收后的出射光引入Mach - Zehnder干涉仪,然后将干涉图样输入计算机,通过比较由样品折射率变化引起的干涉图样的变化推算相位的变化.这种实验装置消除了由机械振荡或温度变化带来的相位转移.图3所示为一种新的光纤型SPR传感器[8].将一段光纤的包层去掉,在芯层侧面镀上金属膜,在金属膜表面同样固定着一层具有分子识别功能的敏感膜.光波在光纤内部经多次衰减全内反射而耦合到金属膜表面.在光纤的出口端检测出射光.当敏感膜与待测样品发生反应时,出射光强会发生变化,由此判断样品中是否含有待测目标分子及其含量.光纤型SPR传感器具有体积小、可实现远程测量等优点.按信号接受方式不同,可分为在线传输式和终端反射式两种. 其中,对于终端反射式,光线经过两次共振吸收后传输到光纤光谱仪中进行检测,传感部位的光纤长度比在线传输式的短,不需要流通池,而且更适合于远程测量和组成阵列.Brockman等人基于光栅型配置方式进行了SPR传感器的研究[9].耦合器件为镀有金膜的塑料散射光栅,入射到金膜表面的光向各个方向反射,某个反射角的反射光由于与SPW产生共振而强度最小,这个吸收谷可以使用CCD阵列检测. 这种传感器的优点是:抛弃了笨重的棱镜;塑料散射光栅可用光盘刻录技术进行低成本大批量生产;可在同一张光栅上组成阵列. B rockman等人希望进而开发结构类似CD - ROM的传感器,这种传感器将快速从光盘样式的芯片上读取阵列信息.3 SPR应用于近场扫描光学显微技术Fischer等人最早将SPR 技术应用于近场扫描光学显微技术( near2field scanning op tical microscopeNSOM)[10].当时使用的微探针为附着在棱镜表面的聚苯乙烯颗粒.棱镜内全反射的光与镀在棱镜表面和聚苯乙烯颗粒上的金膜产生共振.样品是显微镜的物镜,一方面,可用显微镜来观察和选择聚苯乙烯颗粒,另一方面,物镜的弧度有利于探针和样品的相互接近. 实验显示共振的SPW极大地增强了近场光学显微镜的信噪比.随着NSOM的发展,光纤微探针成为主流. Marti 等人首先使用Kretschmann配置中的镀膜棱镜作为样品,取得同样的效果[11].此外,SPR技术用于研制高分辨率近场光学显微镜.由于NSOM 的光纤微探针尖端无法做得很细,因此分辨率只能达到十几纳米,不能象STM和AFM那样达到原子级分辨率.后来研制出几种高分辨率的NSOM.其中一种基于SPR技术的近场光学显微镜的分辨率可直接达到原子水平.SPW在金属表面传播时,遇到杂质、缺陷等将会发生散射,此处共振的SPW作圆锥辐射,圆锥顶角与入射角相同.若AFM的实心针尖在金属表面扫描,将作为一个散射中心,辐射出的圆锥形光携带针尖处的信息.由于圆锥辐射光比较微弱,一般用一个锁相放大器以一定频率驱动微悬臂,并检测光电转换器件的输出信号中的同频成分.上述应用SPR 技术的近场光学显微镜已经在物理、化学、生物、医学等方面的高分辨率成像得到广泛的应用.值得一提的是,除此基本用途以外,还在以下几方面有着特殊的用途.Bozhvolyi等人将其应用于内表面成像技术.对多层金属薄膜而言,近场区域内的光纤探针检测到的是金属膜内外表面SPW的叠加,通过与剪切力模式得到的表面形貌像综合比较,可以在一定程度上推断内表面形貌[13].应用SPR技术的近场光学显微镜也提供了一种直接研究SPW散射的手段.Smolyaninov等人将246nm的短脉冲准分子激光从光纤微探针的自由端输入,从针尖输出,输出时将聚焦产生局部高温,将平整的样品表面烧出纳米尺度的缺陷[14].使用的针尖不镀膜,一方面可以减小对SPW的干扰,另一方面便于短脉冲激光的输出.在烧出的纳米缺陷区域附近激发SPW,同时可利用NSOM成像观测SPW在缺陷附近的散射及其散射后在金属膜表面的传播性质. 此方面研究有助于提供一种控制SPW传播的方法,即在金属膜表面烧出点、线等结构,使SPW随制作出的结构改变传播方式.SPR技术还被应用于近场光刻中[15—18].其照明方式有两种:p偏振的光照射探针-样品间隙和照射样品-棱镜界面.金属探针进入光场时,p偏振光激发探针表面等离子体共振,使得金属探针的场增强效应比电介质材料的探针强. Haefliger D等人结合SPR技术利用原子力显微镜在Al膜上获得了直径为40nm的记录斑.用532nm的p偏振光照射样品-棱镜界面,通过反射率和透射率随入射角的变化曲线,获得了探针参与下的最佳入射角.4 表面等离子体Q开关受抑全内反射Q开关由两个相对的棱镜组成,快速改变两棱镜间的间隙,可以抑制全内反射,从而改变激光腔内的损耗.但是Q开关只有当两棱镜的间距为0.1个激光波长时,方能充分闭合. 而这个间距在实际应用中,较难达到,所以调制深度不高.清华大学郭继华等人用SPR 技术改进激光技术中的受抑全内反射Q开关,采用Otto型结构,用一个棱镜作反射面,另一个棱镜上镀一层高反射率金属膜[19].反射率与入射角θ、空气间隙d以及入射波长λ有关.对于波长为1064nm的红外光,其反射率最小值出现在间隙为1—2μm的范围内.例如:对于Ag膜,以44.23°入射时,在d=1.87μm处反射率取得最小值,可达10- 4量级.因此两棱镜无需靠得很近,就可以获得较高的调制深度.这一技术弥补了普通受抑全内反射Q开关不适用于短波长激光器的缺点. 而且表面等离子体Q开关更容易调节两个棱镜之间的初始距离. 郭继华等人还研究了表面等离子体Q开关在压电陶瓷驱动下的动态特性曲线,所得动态曲线与普通受抑全内反射Q开关的同类曲线相似[20].采用Otto型结构是为了防止激光直接照射到金属表面,造成激光损伤.但是如果激光谐振腔内的功率密度过大也有可能对金属膜造成损伤.因此这一技术比较适用于二极管抽运的中、小功率全固化激光器.由于只有p 偏振的光才可以激发表面等离子体,因此,与普通受抑全内反射Q开光相比,表面等离子体Q开关的谐振腔内要放置一个偏振片.5 精密角度测量SPR对入射角的敏感特性,可用于制作精密角度测量仪器.图6是郭继华等人研制的一种角度测量仪器[21,22] .棱镜放在旋转台上,通过转动旋转台调节入射角.用棱镜的直角边作为表面等离子体波的激发面,这样还可以保证在入射角变化的时候出射光与入射光始终平行.激光器发出的光经偏振片P变为线偏振光,旋转偏振片可以调节p分量和s分量的比例.入射光在棱镜- 金膜界面上发生衰减全内反射, p分量和s分量反射时既有强度变化,又有相位变化.只有p波才可以激发表面等离子体波,s波不可以激发表面等离子体波.由于共振激发表面等离子体波时的入射角大于全内反射角.所以s波反射率约为1,其相位变化在此条件下也近似是一个常数.而p波的反射率和相位特性则是入射角的函数.当选转台发生微小角度变化时,s分量与p分量相位差发生改变变化,且对角度非常敏感. 如果调节旋转台,使得s分量与p分量的相位变化的差为π/2或- /2π,则反射光经1 /4波片后,便呈线偏光,调节检偏器的透射方向,使探测光强的为零,这时的入射角即是角度测量仪器的工作点.当入射角发生微小变化时,反射光s分量与p分量相位差发生改变,经1/4波片和偏振偏后,探测器所探测到的光强随之变化,从而实现角度的精确测量.压电陶瓷受激振动,使固定于压电陶瓷管的反射镜为光路引入频率为ω的交流信号,此交流信号被锁相放大器检测,起到消除噪声实现精密测量的目的.总之本文介绍了表面等离子体共振技术并介绍了国内外表面等离子体共振技术的一些新应用.由于SPR具有显著的表面增强效应, SPR技术正在被应用到越来越广泛的领域中去,并逐渐发挥出巨大的潜力.参考文献[ 1 ] Otto A. et al. Z. Physik, 1968, 216: 398[ 2 ] Kretschmann E et al. Z. Physik, 1971, 241: 313[ 3 ] 何星月,刘之景. 物理, 2003, 32: 249 [ He X Y, Liu Z J.Wuli ( Physics) , 2003, 32: 249 ( in Chinese) ][ 4 ] Lieberg B et al. Sensors and Actuators B. 1983, (4) : 299[ 5 ] Morgan H et al. Biosensors and Bioelectronics, 1992, 7: 405[ 6 ] Kabashin A V et al. Op t. Commun. , 1998, 150: 5[ 7 ] Ho H P et al. Sensors and Actuators B, 2003, 96: 554[ 8 ] Jorguenson R C et al. Sensors and ActuatorsB, 1993, 12: 213Homola J. et al. Sensors and Actuators B, 1995, 29: 401[ 9 ] Brockman J M, Fernández S M et al. American Laboratory.2001, June: 37[10] FischerU Ch, PohlD W et al. Phys. Rev. Lett. , 1989, 62:458[11] Marti O, Bielefeldt H, HechtB et al. Op t. Commun. , 1993,96: 225[12] Bozhvolnyi S I, Smolyaninov I I, ZayatsA V et al. Phys. Rev.B, 1995, 51: 17916[13] Smolyaninov I I et al. Phys. Rev. B, 1997, 56: 1601[14] Lu Y F, Mai Z H, Qiu G et al. App l. Phys. Lett. , 1999, 75:2359[15] Huang SM, HongM H, Lu Y F et al. J. App l. Phys. 2002,91: 3268[16] HaefligerD, Stemmer A et al. Ultramicroscopy, 2004, 100:457[17] Pascal Royer, Dominique Barchiesi, Gilles Lerondel et al.Phil. Trans. R. Soc. Lond. A, 2004,362: 821[18]杨华, 唐永新, 吴念乐等. 量子电子学报, 1999, 16: 566[ Yang H, TangY X, Wu N L et al.Chin. J. Q. Elect. ,1999, 16: 566 ( in Chinese) ][19]唐永新,杨华,郭继华等. 光学学报, 2001, 21: 866 [ Tang YX, Yang H, Guo J H et al. ActaOp tica Sinica, 2001, 21:866 ( in Chinese) ][20]郭继华,邓为民. 清华大学学报(自然科学版),2000, 20:12 [ Guo J H, DengW M. Journal ofTsinghua University( Sci2ence and Technology) , 2000, 20: 12 ( in Chinese) ][21] Guo J H, Zhu ZM, DengW M et al. App l. Op t. , 1999, 38:6550。