表面等离子体光子学

表面等离子体光子学（Plasmonics）

表面等离子体是指沿着金属表面传播的电子疏密波。这种表面电磁波具有特殊的色散关系。在相同频率下，表面等离子体波的波矢远大于空气中的光波矢。通过棱镜或者光栅耦合，入射光可以实现和表面等离子体的耦合，行成表面等离子体激元（surface plasmon polariton）。

图1 金属和介质界面的表面等离子体波及其色散关系

表面等离子体波沿着金属介质界面传播，而在垂直于界面方向是消逝波。同时由于它的波长非常小，因此可以实现纳米级的二维甚至三维的能量局域。这样不但可以实现高密度的集成，也同时获得了极高的能量密度。因此表面等离子体在纳米光子学、纳米加工、数据存储，显微镜，太阳能电池和生物传感等方面具有广阔的应用前景。

表面等离子体集成电路

电子器件的信息载荷量有限，无法满足对高速高容量信息处理的要求。光子器件具有高速高带宽的特点，光子计算机也成为人们对下一代信息处理设备的希望。然后光子器件尺寸一般都在波长量级，随着尺寸减小损耗会很快上升，无法完成和现有纳米尺寸的电子器件互连。表面等离子体波同时具有高局域和高带宽的特性，成为一个可能的解决方案。

图2 表面等离子体纳米激光器

表面等离子体生物传感技术

因为表面等离子体波在表面的局域特性，它的振荡态对表面环境特别敏感，因而可以制作高敏感高集成的传感器，用于对细胞活动的实时探测。传统的表面等离子体采用棱镜耦合的平面金属膜实现生物探测，其尺寸大，需要对准。金属纳米颗粒对入射光选择性的散射或透射同样可以用于生物探测，这种方案具有体积小和平行探测的优势。

图3 基于均匀金属膜的表面等离子体生物探测器

表面等离子体数字成像技术

金属纳米结构的选择性散射或者透射效应在中世纪已经被世人发现。将

不同的金属纳米颗粒加入到玻璃中可以实现不同的色彩。随着纳米加工技术的发展，如果将金属纳米结构引入到成熟廉价的CMOS工艺中来实现数码成像设备需要的彩色滤波功能，不仅省去了普通的染色滤波器工艺，同时降低了串扰并增加了更多的功能性。

图4 （a）普通的包括染色滤波器的CMOS图像处理器示意图，（b）应用表面等离子体滤波器的新型CMOS图像处理器示意图。

表面等离子体纳米光刻技术

图5 高速纳米光刻技术

金属纳米结构可以在纳米尺寸控制表面等离子体波的传播，进而实现聚波、分波和导波的功能。利用可以聚焦表面等离子体波的等离子体金属透镜可以获得一百纳米甚至更小的局域波，来实现无掩模版的近场纳米光刻。这对未来的微电子设备继续小型化集成化发展具有极大的推动作用。

表面等离子体太阳能电池

能源问题是未来社会发展的核心问题。太阳能作为一种可持续发展的清洁能源一直受到很大的关注。然而目前太阳能电池模块较低的能量转换效率使得大规模的应用还无法实现。金属纳米结构的引入可以通过光散射引起的光腔效应（图6 a），局域等离子体激元效应（图6 b）和表面等离子体激元效应（图6 c）大大提高光转换效率。

图6 表面等离子体太阳能电池技术

表面等离子体数据存储技术

利用金属纳米颗粒对入射光波长和偏振态的敏感，我们可以通过在三维空间集成不同的金属颗粒，从而实现五维的数据存储（图7）。存储密度相对于现有技术实现了指数倍增长，高达每立方厘米1Tbit！如图7所示，在存储介质的同一个空间位置，因为具有对入射光波长和偏振态的敏感性，可以实现对不同图形的分别写入和读出，极大的提高存储密度。

图7 利用金属颗粒实现五维的数据存储