表面等离激元课件
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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.表面等离子体波的色散曲线处在光线的右侧，在
相同频率的情况下，其波矢量比光波矢量要
大。
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表面等离子体
金属板中电子气的位移
（上）金属离子（+）位于“电子海洋”中 （灰色背景），（下）电子集体向右移动
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5
Part 1
等离子体振荡
等离子体振荡是等离子体中的电子在自身惯性作用和正负电
荷分离所产生的静电恢复力的作用下发生的简谐振荡。等离子体振 荡的频率称为等离子体频率，又称朗缪尔频率。在可以忽略电子热 运动的冷等离子体中，这种振荡不向外传播，不会形成波动。在热 等离子体中，即电子热运动的影响不可忽略时，这种振荡会形成纵 波，称为朗缪尔波，它是电子密度的疏密波。朗缪尔波的频率稍大 于等离子体频率。
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6
Part 1
表面等离子体（surface plasmons，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。 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，是一个
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4
Part 1
“金属等离子体”
在金属中，价电子为整个晶体 所共有，形成所谓费米电子气。价 电子可在晶体中移动，而金属离子 则被束缚于晶格位置上，但总的电 子密度和离子密度是相同的，从整 体来说金属是电中性的。人们把这 种情况形象地称为“金属离子浸没 于电子的海洋中”。这种情况和气 体放电中的等离子体相似，因此可 以把金属看作是一种电荷密度很高 的低温（室温）等离子体，而气体 放电中的等离子体是一种高温等离 子体，电荷密度比金属中的低。
7
Part 1
Surface plasmons (SPs)
Surface plasmons (SPs) are coherent electron
oscillations that exist at the interface between any two materials where the real part of the dielectric function changes sign across the interface (e.g. a metal-dielectric interface, such as a metal sheet in air). SPs have lower energy than bulk (or volume) plasmons which quantise the longitudinal electron oscillations about positive ion cores within the bulk of an electron gas (or plasma). When SPs couple with a photon, the resulting hybridised excitation is called a surface plasmon polariton (SPP). This SPP can propagate along the surface of a metal until energy is lost either via absorption in the metal or radiation into free-space. The existence of surface plasmons was first predicted in 1957 by Rufus Ritchie. In the following two decades, surface plasmons were extensively studied by many scientists, the foremost of whom were T. Turbadar in the 1950s and 1960s, and Heinz Raether, E. Kretschmann, and A. Otto in the 1960s and 1970s. Information transfer in nanoscale structures, similar to photonics, by means of surface plasmons, is referred to as plasmonics.
表面等离激元
Surface plasmon polaritons, SPPs
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2013.11.25
1
Contents
Part 1
Part 2
Part 3
Part 4
什么是表面 怎么激发表面 表面等离激元
等离激元
等离激元
的性质及应用
磁共振
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2
Part 1 巴黎圣母院的玫瑰窗
Powell和Swan 用高能电子发射法测定了金属铝的特征电子能量损失，其 实验结果可用Ritchie的理论来解释。
Stern和Ferrell将表面等离子体振动的量子称为表面等离子体子(Surface plasmon)，研究了金属表面有覆盖物时的表面等离子体振动，发现金属表面 很薄的氧化物层也会引起这种振动的明显改变。他们还预言：由于表面等离 子体振动对表面涂层的敏感，那么通过选择合适的涂层，表面特征能量损失 的值会在一定范围内发生变化。
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3
Part 1
表面等离激元
五十年代，为了解快速电子穿过金属箔时的能量损失，人们进行了大量 的实验和理论工作。Pine和Bohm认为，其中能量损失的部分原因是激发了金 属箔中电子的等离子体振动（Plasma oscillation），又称为等离子体子 （plasmon）。
Ritchie从理论上探讨了无限大纯净金属箔中由于等离子体振动而导致的 电子能量损失，同时也考虑了有限大金属箔的情况，指出：不仅等离子体内 部存在角频率为 的等离 子p 体振动，而且在等离子体和真空的界面，还存在 表面等离子体振动（Surface plasma oscillation），其角频率为 。 p / 2
3.表面等离子体波的色散曲线处在光线的右侧，在
相同频率的情况下，其波矢量比光波矢量要
大。
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金属板中电子气的位移
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等离子体振荡
等离子体振荡是等离子体中的电子在自身惯性作用和正负电
荷分离所产生的静电恢复力的作用下发生的简谐振荡。等离子体振 荡的频率称为等离子体频率，又称朗缪尔频率。在可以忽略电子热 运动的冷等离子体中，这种振荡不向外传播，不会形成波动。在热 等离子体中，即电子热运动的影响不可忽略时，这种振荡会形成纵 波，称为朗缪尔波，它是电子密度的疏密波。朗缪尔波的频率稍大 于等离子体频率。
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表面等离子体（surface plasmons，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。 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，是一个
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“金属等离子体”
在金属中，价电子为整个晶体 所共有，形成所谓费米电子气。价 电子可在晶体中移动，而金属离子 则被束缚于晶格位置上，但总的电 子密度和离子密度是相同的，从整 体来说金属是电中性的。人们把这 种情况形象地称为“金属离子浸没 于电子的海洋中”。这种情况和气 体放电中的等离子体相似，因此可 以把金属看作是一种电荷密度很高 的低温（室温）等离子体，而气体 放电中的等离子体是一种高温等离 子体，电荷密度比金属中的低。
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Surface plasmons (SPs)
Surface plasmons (SPs) are coherent electron
oscillations that exist at the interface between any two materials where the real part of the dielectric function changes sign across the interface (e.g. a metal-dielectric interface, such as a metal sheet in air). SPs have lower energy than bulk (or volume) plasmons which quantise the longitudinal electron oscillations about positive ion cores within the bulk of an electron gas (or plasma). When SPs couple with a photon, the resulting hybridised excitation is called a surface plasmon polariton (SPP). This SPP can propagate along the surface of a metal until energy is lost either via absorption in the metal or radiation into free-space. The existence of surface plasmons was first predicted in 1957 by Rufus Ritchie. In the following two decades, surface plasmons were extensively studied by many scientists, the foremost of whom were T. Turbadar in the 1950s and 1960s, and Heinz Raether, E. Kretschmann, and A. Otto in the 1960s and 1970s. Information transfer in nanoscale structures, similar to photonics, by means of surface plasmons, is referred to as plasmonics.
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Surface plasmon polaritons, SPPs
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Part 3
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什么是表面 怎么激发表面 表面等离激元
等离激元
等离激元
的性质及应用
磁共振
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Part 1 巴黎圣母院的玫瑰窗
Powell和Swan 用高能电子发射法测定了金属铝的特征电子能量损失，其 实验结果可用Ritchie的理论来解释。
Stern和Ferrell将表面等离子体振动的量子称为表面等离子体子(Surface plasmon)，研究了金属表面有覆盖物时的表面等离子体振动，发现金属表面 很薄的氧化物层也会引起这种振动的明显改变。他们还预言：由于表面等离 子体振动对表面涂层的敏感，那么通过选择合适的涂层，表面特征能量损失 的值会在一定范围内发生变化。
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Part 1
表面等离激元
五十年代，为了解快速电子穿过金属箔时的能量损失，人们进行了大量 的实验和理论工作。Pine和Bohm认为，其中能量损失的部分原因是激发了金 属箔中电子的等离子体振动（Plasma oscillation），又称为等离子体子 （plasmon）。
Ritchie从理论上探讨了无限大纯净金属箔中由于等离子体振动而导致的 电子能量损失，同时也考虑了有限大金属箔的情况，指出：不仅等离子体内 部存在角频率为 的等离 子p 体振动，而且在等离子体和真空的界面，还存在 表面等离子体振动（Surface plasma oscillation），其角频率为 。 p / 2