表面等离子体技术

等离子体技术

——一项在nano letter 杂志上正茁壮成长起来的技术

作者：Naomi J. Halas

德克萨斯州77005-1892 休斯顿6100大街Rice大学电子计算机工程系、化学系、物理系和天文系、纳米光电子实验室

摘要：虽然学习金属的表面等离子技术已经十年了，但是最近纳米科学在这个领域创造了一场革命，而等离子体技术作为主要的研究领域。金属的纳米结构的表面等离子体最直接的光学反应可以提供许多方法在纳米尺度去控制和操控光。这将刺激一些新奇光学材料的发展、更深的理论研究、创造新器件和重要技术的潜在应用和社会效应。Nano letter 这个杂志对等离子体技术发展的过程中有了很大的推动作用，使它的读者在这个活跃的领域有一个很快的提高。

关键词：表面等离子体、等离子体技术、纳米光电子学、纳米光学、传感器、纳米器件

金属纳米颗粒因为他们的光学特性而很早被人认识到。这些中世纪欧洲彩色玻璃窗光学特性，在现代科学之前开启了研究光学的源头。就在一个世纪以前，经典的电磁理论第一个详细的提出的贵金属纳米粒子的光学特性，解释了金胶体的鲜红光。在这期间十年，我们理解了电磁波，金属的整体振动，像表面等离子体，一些宏观金属和小的纳米颗粒也使得我们的理解变的发展和成熟。作为压缩材料的基本振动，表面等离子体已经通过表面科学技术和多体理论被广泛的学习。表面等离子体已经基本上理解为振动，它的性能是一些特殊的金属所具有的。解释关于金属电子结构的等离子体能量分散特性，可以使表面等离子体这个话题更加有趣。

随着纳米科学的出现，金属在微波波长尺寸的时候，表面等离子体的特性很大程度的改变，这一认识导致了人们在对以等离子为基础的现象方面兴趣极大增加。等离子体技术和纳米科学的汇合，使得人们认识到等离子体性能可以被操控、设计、选择和制作出一个特殊形状的纳米机构。因为金属物体的尺寸小于光波，所以，光的直接照射，表面波可以被激发，产生出虚构的金属或表面等离子体纳米结构，像纳米尺寸的光学成分。同时，有效的高性能计算机电磁仿真软件能够使预测到得纳米结构的性能和观察到得达成一致、导致技术提高、甚至是在数量上的能力、使在这个领域有一个快速的提高。这个设计成分在纳米学科中是非常独特的，而且引起广泛的兴趣等离子体，跨越众多学科从凝聚体到计算机芯片，再到生物医学工程领域。等离子体已经成为一门学科，从第一次在Nano letter 上发行，它是现在个纳米学科间的象征代表，它是在众学科间的一个交叉点。例如：凝聚体物理、材料和物理化学，和电子工程。作为在众多领域中第一个鼓励递交的杂志，Nano letter 通过为提供一个家从而使等离子体技术有了很大的发展，因为高质量的论文关于问题已经形成了一系列宽广的学科，等离子体结构的应用，而是更多兴趣在生物学、生物技术，和生物医学。

形状问题：从Nano letter 早期开始，化学合成贵金属纳米颗粒从形态到大小有很大的变化，

这已经是一个很重要的主题了。如图1所示，一系列化学方法用来合成贵金属纳米颗粒，然而他们的形状有很大的差异性，除了还原金酸或银酸的还原剂以外，还有表面活性剂和共聚物，他们指导了金或银的生长在理想纳米结构晶格层面，高度晶体纳米结构具有不同的形状。其他的生长方法包括将金属沉积在纳米结构的介质架子上，覆盖上它以后，易形成半核结构，例如，或者完成形成纳米结构，像纳米米。合成银-金纳米结构，按照移走银的办法，最终形成空的金纳米颗粒，它的形态依赖于移走的银纳米颗粒的形状。不同寻常的、高度部队称的形状，像纳米星或分支结构，他们的形成同样是在溶液基底生长法在环境法中表面活性剂的使用，这样双晶可以创造更复杂的形态。另外，基底模板法的生长有了一定的发展，通过连接化学和绝对无尘空间的方法。胶体印刷，六边形的密集聚苯乙烯纳米颗粒已经形成，后按照纳米结构贵金属层蒸发掉，形成有图案的表面。在整个区域上用纳米尺寸的细节的方法，而按照传统的纳米建造的方法不能可到完成，。最后，清理房间构造物的工具，例如电子束印刷术也被用来产生贵金属纳米片和板去检查它的作用，纳米结构系统和数量上复杂的。总之，这些或许多结构正形成工具箱，来帮助我们理解在纳米颗粒和其他纳米尺寸的金属结构上得局域等离子体。

纳米结构的繁殖直接激发了一些方法的发展去探索在单个颗粒尺寸贵金属纳米结构的光学性能。方法像暗场显微镜和其他的单粒子显微镜揭露出纳米结构的性能，而按照整体则不能发觉。随着纳米结构的发展，对这个问题的兴趣被增强，像培养基，居于表面等离子体共振传感，和表面增强光谱，高度局域的“热点”引起非常大的光谱增强。理解纳米结构的特征和他们的组装引起大的局域便面等离子体共振变化和强大的分光镜信号，因为分子趋向于表面，这已经是一个主要的课题在纳米科学中。

理论：这种应用经典的电磁理论去分析金属结构的表面等离子体性质已经在这个领域得到重视，尽可能数值分析麦克斯韦方程利用一些方法，像有限不同时间领域（EDTD）、离散偶极近视法（DDA）、有限元和边界单位元法，在现实的各向异性环境中，利用现实的材料程序可以很快分析复杂的金属纳米结构的性能。当数值模型可以准确的描述等离子体的性质，一个统一的实验理解可以提供直觉上的理解，因为实验设计同样很重要。各种不同的实验结果和方法都罗列在图2中。

等离子体模型的混合和杂化用波函数的简单量子理论中直接的和准确的近视，使得等离子体杂化理论得到了发展。杂化理论为耦合的等离子体结构相互作用的理解提供一个直觉的和非常有效的图像，例如两个直接领近的耦合的等离子体结构，杂化理论可以解释这非常鲜明的颜色变化和在两个相邻近的纳米结构的耦合中间枢纽的电磁增强。因为这种理论，有偶核对的纳米结构又被称作是二聚物，同时那些复杂的纳米颗粒聚合物按照这套程序，像三聚物、四聚物和六聚物。虽然杂化图像是一个近视的方法，它可以加上数值计算的方法，因为等离子体模型的任务和理解局域电场在非常复杂的电磁结构，像纳米星。在这样非常复杂的结构中，数值计算不能提供一个根本理解能量依赖于等离子体激发。相比之下，增值的等离子体系统，等离子体纳米波导数值研究对近场轮廓、多方式耦合和缺损的研究都有很大的帮助。其他的理论研究方法，被用在分析和设计等离子体结构和系统的上来，一个最基本的实验措施，比率定律像一个等离子体尺度方程已经起作用了，用一个普遍的方法描述距离依赖于等离子耦合。其他的方法，从分析电磁适用于解决等离子体中的理论问题，变换光学、正角图像用在部分波光学结构，这是一个对提供预测一些特殊纳米结构的光学性能的方法。数值方法，当他被合适的应用，等离子体近场提供一个直接的图像，在系统中，当减少对称