表面等离激元共振实验合集.ppt

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表面等离激元基础PPT课件

1. SPPs的穿透深度
（1）金属衰减深度δm 根据金属趋肤深度的表述，定义金属衰减深度δm表示SPPs场强衰减为1/e时的深度。
表面等离子体
（2）介质衰减深度δd 同样，定义介质衰减深度δd表示SPPs场强衰减为1/e时的深度。
第18页/共27页
Part 1The characteristic length of SPPs
表面等离子体
第22页/共27页
图h SPPs的传播长度
Part 1 The characteristic length of SPPs
表面等离子体
第23页/共27页
Part 3 The excitation Of SPPs
第24页/共27页
The excitation of SPPs 1. Prism Coupling
Plasma oscillation
近似认为离子不动，电子相对于离子做往回运动等离子表体面等内离电子体子的集体振荡
振荡频率：上式中，n是电子浓度，m是电子质量
第3页/共27页
Surface plasma oscillations
第4页/共27页
SPPs
Surface plasmon polaritons are electromagnetic excitations propagating at the interface between a dielectric and a conductor, evanescently confined in the perpendicular direction. These electromagnetic surface waves arise via the coupling of the electromagnetic fields to oscillations of the conductor’s electron plasma.

Lecture5表面等离激元

精选课件
10
由于沿表面的平移不变性：
根据Maxwell方程组（non-retarded limit）： z≠0
z=0
n（ D2 D1 )
n ( E2 E1 ) 0
精选课件
11
z≠0
代入
z=0
0,(z 0) (z) 1,(z 0)
精选课件
12
Retarded regime (light speed c is finite)
第五课:
表面等离激元
精选课件
1
主要内容
体等离激元回顾表面等离激元简介表面等离激元的经典描述
✓ Retarded regime ✓ Non-retarded regime
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
精选课件
2
精选课件
精选课件
23
(V,B)区域之外Surface Plasmon电场的表达式
z(V,B)
精选课件
24
代入
代入
D z ( B ) D z ( V ) i Q V B d z z dx ( z D )/d z zx ( D B ) V x ( V D )
考虑到：
(V = 0¯)
(B = 0+)
1
1
2 p
2
2 1
可得：
p2 c2q2
Bulk plasmon
cq
p s p / 2
light Surface plasmon
q s / c
s 精选课件c
Retarded regime
q s / c
Non-retarded regime

等离激元ppt课件

k
电子-空穴对运动的简单叠加。
我们只要能解出电子-空穴对的运动方程，则电子体系的元激发谱就求得了
* 首先我们考虑电子-空穴对之间不存在相互作用：v(q) 0
H EkCkCk H 0
k
代表独立电子系统。那么
[H0,
kq
]
2 2m
(k
q)2
2 2m
k
2
kq
kq
kq
这里 kq 代表不计相互作用时电子-空穴对的激发能量，
准电子 • 电子间的相互作用对金属中的单个电子的性能也有影响，其中特别重要的是屏蔽效应。
屏蔽效应是指电子间的库仑作用使每个电子周围形成了正电荷的屏蔽壳层，它跟随激发它的电子一起运动，从而改变电子间的相互作用势和有效质量。
（电子+屏蔽电荷）的整体称为准电子。
9
准电子间的互作用势用汤川型屏蔽库仑势表示：
k
k
q
CkqCk q
k
这里Ck和Ck为消灭和产生算符，满足费米子反对易关系：
[Ck , Ck' ] CkCk' Ck'Ck kk'
[Ck , Ck' ] [Ck , Ck' ] 0
14
考虑自旋后，由算符表示的哈密顿为：
N
H
2i2 1
i1 2m 2
q
'
v(q)
(
q
q
N
)
• 为了知道给定物理系统的特性，必须以某种方式扰动系统，观察其响应。通过扰动与响应的关系，可得知系统的元激发的信息。
* 设所考虑多粒子系统的哈密顿为H，它的本证能量和本征函数分别为 En和n
当外场作用于系统时的附加哈密顿设为 He (t)

表面等离激元PPT课件

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
第1页/共33页
Part 1 巴黎圣母院的玫瑰窗
第2页/共33页
Байду номын сангаас
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）。
第9页/共33页
Part 1
表面等离激元
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。
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
第4页/共33页
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。

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。

表面等离子共振的应用及研究进展ppt课件

表面等离子共振技术的应用（SPR）
15723663
可编辑课件PPT
1
目录 / contents
一 SPR在检测中的应用
二 SPR的检测类型及其特点
三 SPR与其他检测方法的比较
四 SPR的最新研究进展
可编辑课件PPT
2
第一节
SPR在检测中的应用
可编辑课件PPT
3
一、应用概述
在SPR检测技术中，我们可以根据样品的类型，在金膜上偶联上羧基端、氨基端和生物素等，然后采用化学方法将生物分子与金膜表面共价连接，形成不同的功能表面。通入样品后，样品与金膜表面的抗体或抗原特异性结合，不同质量的生物分子与金膜表面特异性结合会引起折射率的变化，得到分子间相互作用的特异性信号，从而应用于生物化学分析。
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27
提高灵敏度的方法：用单层石墨烯修饰金属膜
Noncovalently Functionalized Monolayer Graphene for Sensitivity Enhancement of Surface Plasmon Resonance Immunosensors
J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 2800−2803 DOI: 10.1021/ja511512m
可编辑课件PPT
30
THANKS
可编辑课件PPT
31
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2、硅材料的SPR （SPR on silicon material）
3、多分析物SPR系统（multi-analyte SPR system）

表面等离激元共振实验

实时检测。采用SPR传感技术，反应的进展情况可以直接地显示在计算机屏幕上，这种对实验步骤地实时反馈，加快了实验开发和分析的速度。最为吸引人的是，SPR传感技术可以对反应进行动力学参数分析，这是其他分析方法所无法比拟的。
无损伤检测。SPR传感技术是一种光学检测方法，光线在传感芯片表面被反射回来，并不与被测物接触；由于光线并不是穿透样品，甚至是混浊或不透明的样品，也同样可以进行检测。
量结束后立刻关闭不能手碰光学元件的表面
.
【思考题】
测量液体折射率的方法你知道有几种？具体说明什么是表面等离激元共振现象？什么是倏逝波？ SPR传感技术有哪些优点？有哪些应用？本实验中的SPR敏感部件的结构是什么？具体使用注意事
当入射光从折射率为n1的光密介质照射到折射率为n2的光疏介质发生全反射时，在2 种介质的交界面处将同时发生折射和反射，当入射角θ大于临界角θc 时,将发生全反射，在全内反射（Total Internal Reflected, TIR）条件下，入射光的能量没有损失，但光的电场强度在界面处并不立即减小为零，而会渗入光疏介质中产生消失波，光波并不是绝对地在界面上被全反射回光密介质，而是渗入光疏介质大约一个波长的深度，并沿着界面流过波长量级距离重新返回光密介质，沿着反射光方向射出。这个沿着光疏介质表面流动的波称为
折射率与共振角之间的关系：
n p为玻璃折射率
sinsp Re
mns2 mns2
np
为
sp
共
振
角
n
为
s
液
体
折
射
率
m为金属的介电常数
npsinsp
Re(m)ns2 Re(m)ns2

Lecture5 表面等离激元ppt课件

可编辑课件PPT
32
Band-structure effects
微观描述的关键
n 1 ( r ,) d 3 r 1 ( r ,r ,) s( c r ,f)
1 (r ,r , ) k ,k (fk fk )k * (r ) k (r k ) k * k ( r i )k (r )
z=0
n（ D2 D1 )
n ( E2 E1 ) 0
可编辑课件PPT
11
z≠0
代入
z=0
0,(z 0) (z) 1,(z 0)
可编辑课件PPT
12
Retarded regime (light speed c is finite)
由麦克斯韦方程组：
可编辑课件PPT
13
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)：
39
几种极限情况
可编辑课件PPT
40
Free-standing Ag薄膜的表面等离激元
反对称模式 -+-+-++-+-+-+
对称模式 +-+-+-+ +-+-+-+
可编辑课件PPT
41
Z. Yuan and S. Gao, Phys. Rev. B 73, 155411 (2006)
表面等离激元的杂化理论
可编辑课件PPT
37
模型（Non-retarded regime）
z
v 1 v
c
1
2 c
2
c

表面等离极化激元SPP基本原理PPT课件

() 1() i2 () () 1() i2 ()
可以看出电导率的实部对应介电函数的虚部代表吸收，而电导率的虚部对应于介电函数的实部表示极化强度的大小
第1页/共25页
如果没有外界的激励源，Maxwell方程组的行波解形式可以写为：
E
0
2 D 2t
K(K
E)
K
2
E
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(K,)
2 c2
E
(1)横波时，K.E=0,其色散关系为
可以看出电导率的实部对应介电函数的虚部代表吸收而电导率的虚部对应于介电函数的实部表示极化强度的大小荧光夜跑是一种新兴运动方式参赛者利用荧光装备随性装扮自己进行无排名之分无速度之争的跑步运动它是一项推崇健康分享快乐传递正能量的赛事如果没有外界的激励源maxwell方程组的行波解形式可以写为
D(K,) 0 (K,)E(K,) J(K,) (K,)E(K,)
第4页/共25页
现在讨论w>wp的情况。当w很大时， wτ>>1，金属的介电函数可以忽略虚部只考虑实部，可以近似为：
(
)
1
2 p
2
2 p2 K2c2
当w>wp，则允许电磁波以群速度 vg=dw/dK<c在金属中传播。当w=wp时， epsilon(w)=0,它所对应的激发必然是电子的集体纵振动。因为D=0，可以知道电场在wp 是一个纯粹的退极化场E=-P/epsilon0.其运动状态可以想象为：离子是一块固定的正电薄板，而电子行成的电子层相对薄板会作来回不停地纵振动。
第18页/共25页
b. 动力学衍射模型
2004 年，Lezec 和Thio 针对增强透射现象也提出了一个类似的模型——消逝波复合衍射（CDEW，Composite Diffracted Evanescent Waves）模型[36]，他们也认为增强透射效应本质上就是光的散射过程。如图2-4 所示，光入射在样品表面时，就会被小孔（或狭缝）都散射为可以自由传播的辐射波（蓝线）和只能沿表面传播的消逝波（红线）；这些消逝波在表面则进行相干叠加（如图2-4 所示）。他们认为，在小孔（或狭缝）的入口处，如果消逝波干涉加强，则可导致透射极大；如果干涉相消，则对应于透射极小。如果某一消逝波和SPP模式匹配就可激发表面等离激元，所以SPP也是消逝波，但SPP只是众多消逝波中的一分子，其作用也是微不足道的。为了证明增强透射和SPP没有直接的联系，他们还用非金属材料作了对比实验，并观测到了增强透射效应，只是强度比金属材料低得多，他们将此归因于所用材料对光有强烈散射造成的。

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

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界面光密 n1
光疏n2 全反射的光波会渗入光疏介质约为一个波长的深度，再沿界面流动约半个波长再返回光密介质。光的总能量没有发生改变。这个沿着光疏介质表面流动的波称为倏逝波
演示课件
SPR光学原理
光在棱镜与金属膜表面上发生全反射现象时，会形成倏逝波进入到光疏介质中，而在介质（假设为金属介质）中又存在一定的等离子波。当两波相遇时可能会发生共振。
射率的计算原理和方法
演示课件
SPR发展简介
1、1902年Wood就在光学实验中首次发现了表面等离子体共振现象 2、1941年Fano根据金属和空气界面上电磁波的激发解释了这一SPR现象，随后提出
体积等离子体子的概念，认为这是金属中体积电子密度的一种纵向波动。Ritchie注意到当高能电子通过金属薄片时，不仅在体积等离子体子频率处有能量损失峰，在更低频率处也有能量损失峰，并认为这与金属薄膜的界面有关。 3、1959年Powell和Swan通过实验验证了Ritchie理论 4、1960年Stern和Farrell研究了产生共振的条件并首次提出了表面等离子体子（SP）的概念 5、1971年Kretschmann为SPR传感器结构技术奠定了基础 6、1983年Liedburg将SPR用于IgG与其抗原的反应测定 7、1987年Knoll等人开始了SPR成像的研究 8、1990年Biocare AB公司开发出首台商品演示化课件SPR仪器
当入射光从折射率为n1的光密介质照射到折射率为n2的光疏介质发生全反射时，在2 种介质的交界面处将同时发生折射和反射，当入射角θ大于临界角θc 时,将发生全反射，在全内反射（Total Internal Reflected, TIR）条件下，入射光的能量没有损失，但光的电场强度在界面处并不立即减小为零，而会渗入光疏介质中产生消失波，光波并不是绝对地在界面上被全反射回光密介质，而是渗入光疏介质大约一个波长的深度，并沿着界面流过波长量级距离重新返回光密介质，沿着反射光方向射出。这个沿着光疏介质表面流动的波称为
实时检测。采用SPR传感技术，反应的进展情况可以直接地显示在计算机屏幕上，这种对实验步骤地实时反馈，加快了实验开发和分析的速度。最为吸引人的是，SPR传感技术可以对反应进行动力学参数分析，这是其他分析方法所无法比拟的。
无损伤检测。SPR传感技术是一种光学检测方法，光线在传感芯片表面被反射回来，并不与被测物接触；由于光线并不是穿透样品，甚至是混浊或不透明的样品，也同样可以进行检测。
基本概念
表面等离激元共振是一种能够适合探测金属表面的分子相互作用的量子光电现象
理论上，一个表面全内部反射的光诱发从表面延伸的消散波，平行于正常的波。这个消散场是由于光的波性质和强度随着表面距离增加而呈指数递增。在波导/金属表面相交处，从波导延伸的消散场能够以具体的入射角耦合到电磁表面波，这个角称为表面等离子体共振（SPR）角
演示课件
数据记录
次数
1
2
3…
角度值功率值
演示课件
数据处理
Intensity
1200 1000
H2O
800
600
400
200
0
40
50
60
70
80
Degree
演示课件
找出共振角计算折射率
K9玻璃折射率 n=1.5163 水的折射率 n=1.3333
应用举例 ----LB膜测定
演示课件
实验的难点和重点
三级物理实验
表面等离激元共振 Surface Plasmon Resonance
演示课件
内容简介
实验目的实验简介实验原理实验仪器实验步骤实验内容数据记录与处理
演示课件
实验目的
1、了解全反射中倏逝波的概念 2、观察表面等离激元共振现象，研究其共振
角随折射率的变化 3、进一步熟悉和了解分光计的调节和使用 4、了解和掌握共振角测量的方法，以及折
演示课件
应用
➢药物筛选及鉴定
➢环境监测
➢毒品与食品监测
➢生物科技
免疫测定蛋白质相互作用测定抗体与抗原的反应测定 DNA与蛋白质相互作用分析
演示课件
SPR传感技术的优点
免标记检测。SPR传感技术对被测物质的折射率非常敏感，它与荧光分析或 ELISA检测方法不同，省去了样品纯化和材料标记等样品准备步骤，大大节省了额外的时间，并消除了标记物对反应造成干扰的可能性；另外，它可以观察每个实验步骤对反应的影响，而不像其他实验方法只能得到实验的最终结果。
演示课件
实验原理
演示课件
棱镜式结构
演示课件
理论计算公式
倏逝波强度表达式：
I (z) I (0) exp(- z ) d
其中： d
0
2 n12 sin2 n22
表面等离子体激元的波矢的模：
kx k0np sin1
k0 =2π/λ0
ksp k0
mns2
n2
演示课件
m
s
产生SPR现象的条件：
倏逝波
演示课件
金属表面等离子波
把金属的价电子看成是均匀正电荷背景下运动的电子气体，这实际上是一种等离子体。由于其电子系统集体振荡形成了等离子波。
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
演示课件
倏逝波（Evanescent Wave）
ksp k0np sin1 Re k0
mns2 m ns2
折射率与共振角之间的关系：
n
为玻璃折射率
p
sinsp Re
sp为共振角
ns为液体折射率
为金属的介电Biblioteka 数mnp sinsp
演示课件
mns2 m ns2
np
Re(m )ns2 Re(m ) ns2
实验仪器
数字功率计
29、激光器 30、光电探头 31、偏振器 32、微调座 33、准星（图中未标出）演示3课4件、敏感部件
实验步骤
分光计和实验部件已安装完成，无需重新调试传感中心调整
样品测量读数
演示课件
实验内容
纯水测量无水乙醇测量水与乙醇比例为1:1的溶液测量不同浓度的罗丹明6G溶液测量(选做内容）
✓中心对准 ✓等高度调整 ✓角度游标设定和调整
演示课件
【注意事项】
眼睛不要与激光对视数字功率计在测量10分钟前打开预热稳定，测
量结束后立刻关闭不能手碰光学元件的表面