基于表面等离子体激元的新型太赫兹探测技术

表面等离子激元技术在传感器领域中的应用1. 介绍表面等离子激元技术（Surface Plasmon Resonance, SPR）是一种用于研究在两种介质之间存在的等离子共振现象的技术。

这种技术常常用于各种生物化学或生物分子相互作用的研究，例如可以用来研究蛋白质与配体之间的相互作用，或者检测某种病原体等。

随着技术的进步和应用范围的扩大，SPR技术不仅仅被用于生物领域，还被应用到了传感器领域。

2. SPR传感器原理SPR技术是基于等离子共振的一种技术。

在介电常数不同的两种介质之间存在等离子共振，电磁波能量转化为电荷波，而电荷波又会转化为电磁波，这个循环就是等离子共振。

把这个现象应用于传感器中，可以通过改变介电常数的方式，来测量物体的某些物理和化学性质，同时还能够在不破坏样品的条件下进行测量。

SPR传感器由一个光学系统和一个电学系统组成。

在物样品和芯片表面之间存在一个金属反射膜，这个反射膜通常由银材料制成。

入射光线照射在这个反射膜上，被反射回到光学元件上，其中一部分被吸收，另一部分保持反射，电荷波在反射膜表面形成。

当样品分子结合到芯片表面的反射膜上时，它们会改变反射膜的物性，这会导致电荷波的共振角度发生变化。

这种方式非常适合用于复杂样品的分析。

3. SPR传感器的应用目前，SPR传感器技术在医学、生物技术、环境监测和食品安全等方面都有广泛的应用。

在医药领域中，SPR传感器主要用于新药研究和开发、药物代谢动力学、毒性学筛选等方面；在环境监测领域中，SPR传感器就能够用于检测水中的有机物污染物、土壤中的重金属和化学物质等；在食品安全方面，SPR传感器可用于监测食品中的残留农药和有害物质。

4. SPR传感器技术的发展随着科技的发展和应用场景的扩大，SPR传感器技术也在不断的发展。

现代SPR传感器已经具有更高的灵敏度、更精确的控制和更快的响应速度。

此外，现代SPR传感器还具有多样化分析和检测目标，能够检测尿液、血液、唾液等生物样品，而且能够应用到许多领域，如纳米技术、有机电子器件等。

表面等离子体共振传感器技术表面等离子体共振传感器（Surface Plasmon Resonance Sensor，SPR）技术是一种高灵敏度、高特异性的生物分析方法。

该技术基于等离子体共振现象，通过监测表面等离子体波的共振现象，实现对样品分子浓度、相互作用强度和亲和力等参数的测量。

SPR技术的基本原理是通过一种特殊的金属膜与样品接触，当样品分子在金属膜上发生离子交换时，会引起金属表面的等离子体共振现象发生变化，从而导致样品的浓度、亲和力和相互作用强度等参数发生变化。

SPR技术的优点之一是其高灵敏度。

由于等离子体共振现象与样品分子的密切接触有关，因此即使是微小的分子变化也能够被SPR技术所测量。

另外，SPR技术还具有高特异性，由于特定的样品分子与特定的生物大分子之间会形成特定的亲和力和相互作用强度，因此SPR技术可以非常准确地区分不同种类的分子。

除此之外，SPR技术还具有非常广泛的应用领域。

目前，SPR 技术已经被广泛应用于药物筛选、疾病诊断、食品安全、环境监测等多个领域。

通过SPR技术，可以快速、准确地检测出样品中的各种物质，从而为生命科学研究和医疗保健领域带来了重要的技术突破。

在SPR技术的应用中，最常用的是基于表面等离子体共振现象的生物传感器技术。

通过将生物分子固定在金属膜上，并用特定的方法识别和测量其与其他生物分子的相互作用强度和亲和力等参数，从而实现对特定生物分子的检测和分析。

这种传感器技术在化学、生物学、医学等多个领域中都有广泛的应用，对于快速、准确地检测样品中的分子有着重要的价值。

在生物传感器技术中，共振微型芯片（SPR芯片）是SPR技术中的核心部分。

共振微型芯片通常由金属膜和玻璃基板构成，其中金属膜上固定着特定的生物分子，与此同时，在金属膜上的等离子体波可以被光束所感知。

当样品溶液通过共振微型芯片时，样品分子会与固定在金属膜上的生物分子发生特定的相互作用，引起等离子体波的共振位移，进而实现对样品的检测。

太赫兹辐射技术在材料研究中的应用太赫兹辐射技术可以用来探测物质的特定结构和动态过程，因此被广泛用于材料科学中。

在材料研究领域，太赫兹辐射技术的应用十分广泛，譬如：表面等离子体激元（surface plasmon polaritons, SPPs）研究、非平衡态动力学研究、新型材料探测及特性分析、生物医学感知等等。

本文将就太赫兹辐射技术在材料科学领域具体的应用进行详细讲解。

1. 表面等离子体激元研究表面等离子体激元，是指当电磁波射入金属表面时，比较特殊的光与金属表面的电荷波动相互作用所产生的一种共振现象。

这种共振现象产生的电场和电荷密度会导致光场局限在表面附近，使得光在表面上的传输受到约束。

太赫兹波与物质相互作用的区域比较浅，与表面等离子体激元的空间范围匹配，因此太赫兹辐射适用于 SPPs 的研究。

太赫兹辐射能够在监测 SPPs 的介电函数等物性基本参数的同时，探测到SPPs的角频率、生命时间和衰减长度等参数。

因此太赫兹辐射技术可以用于制备新型表面等离子体光学元件，现代微型光子学与传感器领域将是太赫兹光学技术的新兴市场。

2. 非平衡态动力学研究非平衡态动力学是物理学中一门复杂的研究系统的学科，在材料科学中十分重要。

这个领域的典型应用包括光电转换性能、光电器件性能研究以及光驱动快速相变等。

由于太赫兹光可以在光学瞬间敏感的时域尺度下观察这些动态过程，它是非平衡态动力学的理想光谱区域。

与传统的光学谱技术相比，太赫兹光谱可以使用相同的光源产生多种脉冲宽度的光，也可以很便利地引入外界磁场，并且光源的光子能量与样品的能级结构相当一致，因此可以有效地研究样品的特定量子现象以及非平衡态动力学特定过程。

3. 新型材料探测及特性分析太赫兹辐射技术被广泛应用于全新材料的探索和开发。

在新型材料分子的结构和动态过程研究中，太赫兹辐射技术往往被作为工具进行开发。

利用太赫兹光学技术可以在时间域内可视化瞬态变化，以及探测短时态光强敏感过程，从而探究物质的特殊性质。

一、概述近年来，随着太赫兹技术的飞速发展，新型太赫兹波导作为太赫兹波传输和调控的重要组成部分，受到了广泛关注。

基于表面等离子体激元的新型太赫兹波导因其在太赫兹波段具有优异的传输性能和调控能力，成为了研究热点。

本文旨在系统性地介绍基于表面等离子体激元的新型太赫兹波导的研究现状和发展趋势。

二、基于表面等离子体激元的太赫兹波导概念1. 表面等离子体激元简介表面等离子体激元是一种束缚在金属表面上的电磁波，其能量随着波长的减小而增大，具有特征显著的增强光-物质相互作用效应。

在太赫兹波段，表面等离子体激元具有较长的寿命和波长范围广，是理想的太赫兹波导材料。

2. 基于表面等离子体激元的太赫兹波导概念基于表面等离子体激元的太赫兹波导是利用金属表面等离子体激元作为传输介质，实现太赫兹波的导波传输和调控。

通过设计金属结构和激发激元模式，可以实现太赫兹波的高效传输和局域场调控。

三、基于表面等离子体激元的太赫兹波导研究现状1. 表面等离子体激元在太赫兹波段的应用目前，表面等离子体激元在太赫兹波段的应用主要集中在太赫兹波调控、传感、成像和通信等方面。

其在太赫兹波导领域的应用研究也取得了一系列重要进展。

2. 基于表面等离子体激元的太赫兹波导研究进展基于表面等离子体激元的太赫兹波导研究主要包括波导结构设计、波导传输特性、局域场调控和应用等方面。

通过多种传输介质和波导结构设计，实现了太赫兹波导的低损耗、高效率传输和局域场调控等关键技术突破。

四、基于表面等离子体激元的太赫兹波导的关键技术挑战1. 低损耗传输在太赫兹波段，金属材料的电阻损耗是太赫兹波导传输的关键影响因素，如何有效抑制并降低传输损耗是面临的主要技术挑战。

2. 局域场调控实现太赫兹波的局域场调控是基于表面等离子体激元的太赫兹波导的关键技术瓶颈，需要克服波导结构设计、材料选择和激元模式激发等方面的难题。

五、基于表面等离子体激元的新型太赫兹波导的未来发展趋势1. 新型材料的涌现随着太赫兹材料的不断涌现，如石墨烯、二维材料和纳米结构材料等，在太赫兹波导领域的应用将得到进一步拓展。

基于表面等离子激元的新型可调谐微共振环滤波器分析0 引言表面等离子激元(简称SPPs)早在1950 年的Ritchie 工作之后就被人们所认识。

它们本质上是光子和导体中的自由电子相互作用而被表面俘获的广波，或者说是自由电子和光波电磁场由于共振频率相同而形成的一种集体振荡态。

SPPs 沿着导体一电解质分界面处传播，传播距离大约是几百纳米到几微米，并在垂直表面的两个方向上，均以指数式衰减。

传统光学由于衍射极限的限制，只能把光子器件做到波长(λ／n)量级，而无法满足集成光学的需求，而基于表面等离子激元的光子器件则打破了衍射极限的限制，可以将光束缚在亚波长结构中传播，故有利于光器件的集成化发展。

基于表面等离子激元的光波导由于可以将光场限制的很小，因而可以实现非常急剧的弯曲，进而可以做成非常小的环状波导。

本文研究的基于表面等离子激元的共振环滤波器就是一种十分重要，也是十分基础的光学器件，在光通信中有着很广泛的应用(如光开关，波分复用等)。

1 表面等离子激元的特性在合适的边界条件下解Maxwell 方程，可以得到SPPs 的色散关系：其中，ε是金属的介电常数，εd 是电介质的介电常数，kspp 是SPPs 的波矢，k0=ω／C 是自由空间的波矢。

色散关系公式(1)中，金属的介电常数ε采用Drude 模型：，其中ε∞是带间跃迁对的介电常数，ω是等离子共振频率，γ是电子碰撞频率。

由式(1)可以看出，由于ksppk0，SPPs 的动量与入射光子的动量不匹配，所以，在通常情况下，SPPs 不能被激发，它可以通过在金属表面引入亚波长缺陷等方法来激发。

表面等离子激元共振技术在传感器中的应用研究表面等离子激元共振技术（SERS）是一种基于表面等离子激元共振效应的检测技术。

SERS技术能够对物质进行高灵敏、高选择性的检测，已经广泛应用于化学、生物、环保等领域。

在传感器中，SERS技术具有广泛的应用前景。

一、SERS技术原理SERS技术的灵敏性和选择性来自于表面等离子激元共振效应。

当光到达具有等离子体共振的金属表面时，激发出表面等离子激元波，这些波能够增强光的散射效应，从而让物质的振动频率得以放大，同时使得物质的电荷极性更加容易被激发。

这样，我们就能够通过光散射的方式，得到物质的吸收光谱，从而实现物质的定量分析，甚至能够检测到微量物质。

二、SERS技术的优势SERS技术相比其他光谱技术，有着更高的检测灵敏度和选择性。

SERS技术能够检测到非常微弱的信号，对化学分析和生物检测都有很大的应用价值。

同时，在制备样品和检测过程中，SERS技术对样品的要求比较宽松，即便是微量样品也能够得到可靠的检测结果。

在实际应用中，SERS技术具有快速、灵敏、实用、可靠等优势。

三、SERS传感器的应用研究SERS技术的高灵敏度和可靠性，使其成为一种重要的传感器技术。

SERS传感器的应用研究主要集中在以下几个方面：（一）环境监测：SERS技术可以检测到空气中的VOCs（挥发性有机物）浓度，掌握环境质量情况，如PM2.5、NOx、SOx、CO等。

（二）食品安全：SERS技术可以检测到食品中有毒有害物质或潜在污染物的含量，如农药、重金属等。

（三）药物检测：SERS技术可以高效准确地检测到药物或生物活性物质的存在，如癌症标志物、DNA、蛋白质结构等。

（四）病毒、细菌检测：SERS技术结合化学、生物反应，可以对特定细胞分子进行定量检测，如检测流感病毒、细菌等。

以上应用中，环境监测和食品安全检测是目前应用最广泛的SERS传感器研究方向。

四、SERS传感器的制备和优化SERS传感器的制备和优化是SERS技术应用研究中的关键环节。

第39卷第2期2020年4月红外与毫米波学报J.Infrared Millim.Waves Vol.39，No.2 April，2020太赫兹表面等离激元及其应用刘濮鲲*，黄铁军（北京大学电子学系，北京100871）摘要：金属或半导体与介质分界面上的电子与光子互作用形成的光学表面等离激元（SPP）以及人工超构材料或二维原子晶体材料表面上的电子与太赫兹波或微波互作用形成的人工表面等离激元（SSP）是小型化与集成化太赫兹有源/无源器件和太赫兹超分辨率成像的重要物理基础。

随着太赫兹科学技术的发展，太赫兹表面等离激元研究在国际上受到很大关注。

本文介绍了传统的光学表面等离激元及其发展，详细阐述了太赫兹波段的人工表面等离激元（SSP）和石墨烯表面等离激元（GSP）的基本原理和发展历程，对表面等离激元在太赫兹波段的新型辐射源、无源器件、超分辨率成像及其他领域的应用进行了较为全面的总结和评述，并对该领域未来进一步发展的方向进行了展望。

关键词：太赫兹；表面等离激元；亚波长周期结构；石墨烯；衍射极限中图分类号：O441.6；O441.4；O439文献标识码：ATerahertz surface plasmon polaritons and their applicationsLIU Pu-Kun*，HUANG Tie-Jun（Department of Electronics，Peking University，Beijing100871，China）Abstract：Surface plasmon polaritons（SPP）arising from the interactions between electrons and pho‐tons at the metal/semiconductor-dielectric interfaces，and spoof surface plasmons（SSP）supporting by the metamaterials or the interactions between surface electrons and terahertz/microwave waves of poly‐atomic crystals，are the essential foundation for breaking the diffraction limit and building integrated terahertz active/passive devices.This paper introduces the basic principles，evolution processes of con‐ventional optical SSP，terahertz SPP and graphene surface plasmon polaritons（GSP）.The detailed summary and discussion of terahertz plasmons in the applications of terahertz sources，passive devic‐es，super-resolution imaging and so on are also presented.In the last，we discuss the developing pros‐pects of the terahertz plasmons.Key words：terahertz，surface plasmon polaritons，subwavelength periodic structure，graphene，diffraction limitPACS：73.20.Mf，52.35.-g，52.77.-j，63.22.Rc，87.50.U-引言表面等离激元（Surface Plasmon Polaritons，SPP）是光波入射到金属（或半导体）材料表面形成的一种特殊的电磁极化模式。

专利名称：一种基于表面等离激元共振的光电探测器专利类型：实用新型专利
发明人：周鹏,郑改革,花小敏,邹秀娟
申请号：CN201921853770.5
申请日：20191031
公开号：CN210429850U
公开日：
20200428
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了一种基于表面等离激元共振的光电探测器，涉及热电子光电探测器技术领域，特别涉及一种基于表面等离激元共振的光电探测器。

解决了现阶段光电探测器受到半导体禁带宽度的影响，不能扩大光谱工作范围的问题。

包括栅极，所述栅极上方向上依次设有绝缘体介质层和半导体层，半导体层在水平方向上分布有若干个，所述绝缘体介质层上侧连接有分别位于半导体层两侧的源极和漏极；各半导体层上侧还设有源极电极，相邻源极电极之间设有漏极电极，源极电极与漏极电极形成亚波长光栅结构，各源极电极皆连接于源极，各漏极电极皆连接于漏极。

达到了光谱工作范围由金属/半导体之间的肖特基势垒决定，可扩大光谱工作范围的效果。

申请人：南京信息工程大学
地址：210044 江苏省南京市江北新区宁六路219号
国籍：CN
代理机构：南京钟山专利代理有限公司
代理人：刘林峰
更多信息请下载全文后查看。

新型表面等离子体共振传感器的开发与应用研究第一章：绪论表面等离子体共振传感器是一种基于表面等离子体共振原理的生物分析传感器。

它具有高灵敏度、高选择性、实时检测和无需标记等特点，因此在生命科学、药物研发、环境监测、食品安全等领域有着广泛的应用。

目前，传统的表面等离子体共振传感器主要采用金属薄膜作为传感芯片。

然而，金属薄膜容易氧化、与生物分子接触时会产生静电效应，导致信号噪声增大，从而影响传感器的稳定性和精度。

因此，开发新型的表面等离子体共振传感器对于提高传感器性能和拓展应用领域具有重要意义。

第二章：新型传感器的开发1. 制备新型传感芯片为了克服金属薄膜存在的缺点，研究人员开始尝试使用其他材料作为传感芯片。

比如，石墨烯、二维材料、纳米线等材料具有较高的导电性和生物相容性，可以作为良好的传感芯片材料。

2. 探究新型传感器的灵敏度和选择性研究人员通过实验对比金属薄膜传感器和新型传感器的灵敏度和选择性，发现新型传感器具有更高的灵敏度和更好的选择性。

在特定条件下，新型传感器可以检测到更低浓度的生物分子，同时不会受到其他物质的干扰。

3. 分析新型传感器的稳定性和可重复性为了确保传感器的长期稳定性和可重复性，研究人员对新型传感器进行了稳定性和可重复性测试。

实验结果表明，新型传感器在很长时间内保持较好的稳定性和可重复性，可以满足实际应用需求。

第三章：新型传感器的应用研究1. 生命科学领域的应用新型表面等离子体共振传感器在生命科学领域有着广泛的应用。

比如，可以用于检测生物分子的相互作用，如蛋白质与抗体、核酸与蛋白质的结合等；可以用于研究细胞膜、细胞质等生物体系的相互作用；还可以用于分析药物与靶标的相互作用等。

2. 性能优异的环境监测新型表面等离子体共振传感器还可以用于环境监测领域，比如用于检测水中的重金属、污染物等有害物质的浓度。

由于新型传感器具有高灵敏度和高选择性的特点，可以快速、准确地检测有害物质的浓度，对于保障环境和人民健康具有重要意义。

专利名称：一种表面等离子体共振的太赫兹传感器专利类型：发明专利
发明人：王丰,曹俊诚
申请号：CN201410637244.0
申请日：20141113
公开号：CN104316498A
公开日：
20150128
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供一种表面等离子体共振的太赫兹传感器，所述太赫兹传感器至少包括：重掺杂半导体薄膜，包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；光波导耦合层，形成于所述重掺杂半导体薄膜的第一表面；传感片，形成于所述重掺杂半导体薄膜的第二表面，所述传感片置于样品通道中、与待测分子接触；太赫兹量子级联激光器，发射太赫兹光至所述光波导耦合层；太赫兹探测器，探测太赫兹光。

本发明的激光器产生太赫兹激光在光波导耦合层和重掺杂半导体薄膜表面产生全反射，在界面产生消逝波，同时在重掺杂半导体薄膜和分子敏感膜之间产生表面等离子体波，通过调节入射光到共振角度可使得消逝波和表面等离子体波形成共振。

该传感器可实现生物大分子在太赫兹共振频段的探测。

申请人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所
地址：200050 上海市长宁区长宁路865号
国籍：CN
代理机构：上海光华专利事务所
代理人：李仪萍
更多信息请下载全文后查看。

太赫兹等离子体波探测器的研究的开题报告一、选题背景及意义随着太赫兹（THz）技术的快速发展，其在通讯、成像、检测等领域的应用越来越普遍。

其中，太赫兹等离子体波（TPP）成为了一种重要的探测手段。

TPP是由太赫兹辐射激发介质内自由电子产生的等离子体波，具有高能量和高灵敏度等特点，可以广泛应用于检测物质及其结构、表面性质等方面。

目前，TPP的研究主要集中在理论模拟和实验研究方面。

但是，现有的TPP探测器一般存在着探测灵敏度低、探测速度慢等问题，限制了其在实际应用中的发挥。

因此，设计一种高灵敏度、高速度的TPP探测器对于太赫兹技术的发展具有重要意义。

二、研究目标本课题旨在开发一种基于THz等离子体波的探测器，设计实验装置，探究其在物质检测、成像等方面的应用。

具体目标包括：1.设计并制备TPP探测器所需的等离子体发生器和太赫兹辐射源等关键元件；2.研究TPP的理论特性，建立数值模型，预测其性能表现；3.设计实验装置，开展基于TPP技术的太赫兹波物质探测和成像实验研究；4.评估TPP探测器的性能表现，探究其在实际应用中的潜在优势。

三、研究内容1.太赫兹等离子体波的研究（1）分析TPP的物理机制，探究其在太赫兹波探测中的作用；（2）建立TPP的数值模型，模拟其在不同条件下的性能表现。

2.装置设计（1）设计和实现TPP所需的等离子体发生器和太赫兹辐射源；（2）搭建基于TPP的太赫兹波探测和成像实验装置。

3.实验研究（1）探究TPP在太赫兹波物质探测中的应用，测试不同物质的等离子体波信号；（2）探究TPP在太赫兹波成像中的应用，研究其对物体表面信息的获取能力。

4.性能评估（1）评估TPP探测器在灵敏度、探测速度等方面的性能表现；（2）探究TPP技术在实际应用中的潜在优势和应用前景。

四、研究方法1.理论研究通过文献调研和理论分析，深入探究TPP的物理机制和特性，建立数值模型，预测其性能表现。

2.装置制备设计和制备TPP所需的等离子体发生器和太赫兹辐射源等关键元件，搭建相应的实验装置。