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外电场下不对称阶梯型量子阱的等离激元特性

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散 关系图 （ 右图）
【 关键词 】等 离激元 集体激发 不对称 阶梯形
量 子 阱 电场
１ 引 言
近年来 ，准二维 电子气系统中 电子的集体 激 发特性 （ 等离激元 ）在 实验 和理论上都取得 图 ２ ： 电场 强度 为 ６ ｋ Ｖ ／ ｃ ｍ的正 向电场下阶梯型 量子阱的结构 和能级波 函数形貌 图 （ 左图 ）及相 了广泛的研 究成果和应用 前景。阶梯 形量子阱 应的电子集体激发 色散关 系图 （ 右图 ） 具 有打 破选择 定则 、大 的 Ｓ ｔ ａ ｒ ｋ效应 、更低 的 闽值 泵浦功率等独特优 点。据我 们所 知，电场 色散关系特性 到其最小值 ，这时两支等离激元模应该耦合 。 下不对称 阶梯形量子阱 中准二维 电子气 的集 体 但子带间等离激元模的波矢很短 以至于几乎消 激发 中的空间不对称效应特性还没有被 系统研 基 于 以上模 型，我 们分 别用 数值 方法 计 失 了。这是 由于最低两能级的波函数交叠太少 究 过 。本文 系 统研 究 了 Ａｌ Ｇ ａ 】 ． ￣ Ａｓ ／ ＡＩ Ｇ ａ Ｉ ＿ ｖ Ａｓ ／ 算 了各种不 同外 电场对 阶梯量 子阱等离激 元特 导 致 的 。 Ｇａ Ａｓ ／ Ａ１ Ｇａ ｌ ＿ ｘ Ａｓ （ ｙ ＜ ｘ ） 不对 称 阶梯 形 量子 阱 中 性 的影 响。我 们研 究 的阶梯 量 子阱 参数 为： 准二 维电子气的集体激发模 的色散关 系随电场 Ｇ ａ Ａｓ深 阱 层 宽 度 ｗ＝ ８ ｎ ｍ、Ａ１ Ｇａ Ａｓ阶 梯 ４ 小 结 的变化 。 层 铝 组分 ｙ ＝ Ｏ ． １ ５（ 对应 阶梯 层 势垒 高度 约 为 总之 ，我 们用 Ｂｏ ｈ ｍ． Ｐ ｉ ｎ ｅ的无 规相 近 似 １ ２ ０ ｍｃ Ｖ）、阶梯层宽度 ｓ ＝ ２ ５ ｎ ｍ、垒层 ＡＩ Ｇａ 】 一 的二子 带模型，用数值计算方法系统研究了阶 ２理论模型 Ａｓ 的 铝组 分 ｘ ＝ Ｏ ． ２ ５ （ 对应 垒层 势垒 高度 约 为 外加 电场对 Ａ１ Ｇａ Ａｓ ／ Ｇａ Ａｓ 不 对称 阶梯 形量 子 １ ９ ８ ｍｅ Ｖ） 。 我 们首 先求 解 了 电子 在不 对称 阶梯 形量 阱中等 离激元色散关系特性的影响。发现正反 子 阱 中 的单 电子 一 维薛 定 谔方 程 ： ３ ． １无外电场时的等 离激元 色散 关 系特性 电场 效应的影响是非常不对 称的。外 电场 的大 小和正负可以很方便地控制子带内和子带间集 图 １为无 外加 电场 时 阶梯 型量 子 阱的结 体激发模之 间的耦 合与非耦 合。而最 低两能级 其 中 Ｖ（ ｚ ） 是如 图 １ 所 示 的 不 对 称 阶 梯 形 构和 能级波 函数形貌图 （ 左图 ）及相应的 电子 的波 函数 交叠程度模 的波矢 的大小 。这些特性 量子阱各处 的导带底 的电势能的形貌，当加外 集体激发 色散关系图 （ 右图 ）。图 中青色 的实 可 能为研 究基于 电场 效应 的阶梯形量子 阱结 构 — １ 子带内集体 激发模，当它进入单粒 的器件应用等方面提供有益的参考。 电场时 ，外 电场 的效应 也包含在 内。根据无规 线为 １ 相近似和线性响应理论 ，动态 介 电函数的表达 子激 发 区 “ （ １ － ２ ）Ｓ Ｐ Ｅ Ｃ”时会 朗道 阻尼为单 式为： 粒子激发 。粉色的实线为 １— ２子带 间集体激 参考文献 （ ｇ ， ） ＝ 一 （ ｇ ） 兀 （ ｇ ， ｃ ｏ ） （ ２ ） 发模 。而 红色的点虚线所包围的区域为单粒子 ［ １ ］ Ｊ ． Ｋ ． Ｊ ａｉ ｎ ａ ｎ ｄ Ｓ ． Ｄ ． Ｓ ａ ｒ ｍ ａ ， Ｐ ｈ ｙ ｓ ． Ｒ ｅ Ｖ ． 激发 区，分 别为 图上标注着 的 １ － １ 子 带内单粒 其 中 Ｂ ３ ６（ １ ９ ８ ７ ） ５ ９ ４ ９ １ ． 子激 发 区 “ （ １ 一 １ ）Ｓ Ｐ Ｅ Ｃ”和 １ — ２子带 间单 粒 ［ ２ ］ Ｉ ． Ｇ ｒ Ｏ ｓ ｕ ａ ｎ ｄ Ｌ ． Ｔ Ｕ ｇ Ｕ１ ａ ｎ， Ｐ ｈ Ｙ ｓ ｉ Ｃ ａ （ ｇ ） ： 』 出 』 （ ｚ ） Ｃ ／ ｊ （ ｚ ｅ － ｄ ， － ， １ （ （ 子 激 发 区 “ （１ － ２ ）Ｓ Ｐ Ｅ Ｃ” 。 Ｅ ４ ０（ ２ ００ ８ ） ４ ７ ４ － ４ ７ ７ ．
Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ・ 电子技术
外 电场 峰 朱勤生。 孔雄雄 焦壮壮
我们研 究 了Ａ Ｉ Ｇ ａ Ａ ｓ ／ Ｇ ａ Ａ ｓ不 对称 阶梯 形 量子 阱 中准二 维 电子 气 的集体 激发 色散 关 系随 电场的 变化 特 性。发 现正 向电 场会使 子 带 间等 离激 元模 变短 甚 至 消失，
反 向 电场 会使 子 带 间等 离激元 模 变 变长。该 子 带 间集体 激发 模 波
矢的有 效 大 小取 决 于最低 两 能级 的波 函数 交 叠程 度。这 些特 性 可 能有 利 于研 究基 于 电场效应 的阶 梯形量 子阱结构 的器件 。
图１ ：无外加 电场 时阶梯型量子 阱的结构和 能级波函数形 貌图 （ 左图 ）及相应 的电子 集体激发 色
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（ ３）
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局域表面等离激元

局域表面等离激元

局域表⾯等离激元局域表⾯等离激元2016年6⽉11⽇　来源：中国物理学会期刊⽹1 引⾔把光场的能量集中到⼀个很⼩的区域可以显著地增强光和物质的相互作⽤，在这种条件下，我们可以很容易观测到物质的⼀些⾮线性光学效应，强光还可以诱导物质的物理化学变化。

在使⽤凸透镜等光学元件(见图1(a))聚焦光场时，不可避免会遇到⼀个瓶颈，那就是光的衍射极限。

图1(b)给出了透镜汇聚平⾏光后由于衍射产⽣的艾⾥斑的能量分布，光场的能量被聚焦在⼀个与波长尺度相当的空间中，衍射极限限制了光场的聚焦区域的⼤⼩，同时也限制了光学显微技术的精度。

如果把光场的能量聚焦到⼀个远⼩于波长的尺度，不仅可以产⽣强场，⽽且可以⼤⼤促进光学显微技术的发展。

但是如何进⼀步聚焦光场呢？局域表⾯等离激元提供了⼀个解决办法(见图1(c)—(e))，具有局域表⾯等离激元特性的⾦属纳⽶颗粒可以把光场聚焦或局域到远⼩于波长的纳⽶尺度空间内。

图1 (a)透镜聚焦平⾏光的⽰意图；(b)600 nm 的光经过凸透镜聚焦产⽣的艾⾥斑的能量分布，透镜直径和焦距都为2 cm；(c)贵⾦属纳⽶颗粒⽰意图；(d)直径30 nm、长度60 nm 的⾦纳⽶棒在其纵向共振波长(560 nm)处局域光场的能量分布，颜⾊条下⾯的数字表⽰对数坐标下的相对电场场强数值(局域电场场强相对于激发光场强的⽐值)；(e)为(d)中虚线框的放⼤图表⾯等离激元起源于⾦属(或⾼掺杂半导体)纳⽶结构中类⾃由电⼦在外电磁场激发下，电⼦运动与电磁场互相激励产⽣的共谐振荡。

类似于声⼦是晶体中原⼦集体振荡运动的量⼦化描述，表⾯等离激元(或称为电浆⼦)是电⼦及电磁场的共谐振荡量⼦化后的准粒⼦。

表⾯等离激元携带有相应的准动量和能量。

在⾦属薄膜和介质的界⾯处，表⾯等离激元可以沿着界⾯传播(见图2(a))，传播的距离决定于材料本⾝由于电⼦共谐振荡⽽产⽣的欧姆损耗。

这类表⾯等离激元被称为传导表⾯等离激元，其具体描述可以参见童廉明与徐红星研究员发表在2012 年第9 期《物理》上的专题⽂章。

表面等离激元技术研究及其应用

表面等离激元技术研究及其应用

表面等离激元技术研究及其应用表面等离激元技术是一种基于表面等离激元的物理过程和现象，利用银、金、铜等可导电金属表面的自由电子与电磁波相互作用形成的激元波，从而实现高灵敏的信号检测、传输和转换。

近年来，该技术在传感、生物医学、光电通信等领域得到了广泛的研究和应用。

一、表面等离激元技术的原理表面等离激元是一种集体激发行为，即在可导电表面上，自由电子在外加电场作用下与入射光场发生共振耦合，形成一种电磁波和电子的复合粒子，称为表面等离激元。

表面等离激元具有极强的场增强效应和易于激发、调控的特点，其电磁波和电子相互作用的强度和尺度均在纳米级别，因此具有高灵敏度和局域性。

二、表面等离激元技术的研究进展表面等离激元技术是一种新兴的研究领域，在传感、生物医学、光电通信等领域具有广泛的应用前景。

近年来，国内外的研究机构和企业纷纷涉足表面等离激元技术的研究和应用，不断推动着该技术的发展。

在传感领域，表面等离激元技术已被广泛应用于化学、生物、环境等各类传感器中。

利用表面等离激元传感器可以实现对微量分子、细胞和微生物的高灵敏检测，具有检测速度快、选择性高、灵敏度高等优点。

例如，利用表面等离激元技术开发的呼吸道病原体检测系统，可以在短时间内对呼吸道病原体进行检测，具有高效、准确的特点。

在生物医学领域，表面等离激元技术已被应用于分子诊断、细胞成像、药物筛选等方面。

其高灵敏度和局域性可以实现对生物分子和细胞的高分辨率成像，在癌症早期诊断和治疗、细胞生物学研究等方面具有广阔的应用前景。

在光电通信领域，表面等离激元技术正在被广泛应用于光通信器件和系统中。

利用表面等离激元波导、光学调制器等器件，可以实现高速、高带宽的光通信传输。

同时，表面等离激元技术还可以实现光信号的调制、放大和转换，为光通信系统的发展提供了新的方向和思路。

三、表面等离激元技术的应用前景表面等离激元技术具有广泛的应用前景，在未来的传感、生物医学、光电通信等领域将继续发挥重要作用。

石墨烯表面等离激元的激发与调控

石墨烯表面等离激元的激发与调控

纳米尺度光操控
通过石墨烯表面等离激元的激发，可以实现纳米 尺度上的光操控，为纳米光子器件的设计和优化 提供新的手段。
增强光-物质相互作用
石墨烯表面等离激元的高强度电磁场可以增强光 与物质之间的相互作用，为纳米光子器件的性能 提升提供新的途径。
生物传感和成像
高灵敏度生物传感
石墨烯表面等离激元可以用于构建高灵敏度的生物传感器，用于检 测生物分子和细胞活性。
石墨烯的物理性质
石墨烯具有高电子迁移率 、高热导率、高强度等优 良物理性质。
石墨烯的制备方法
石墨烯可以通过机械剥离 法、化学气相沉积法、还 原氧化石墨烯等方法制备 。
表面等离激元简介
表面等离激元的定义
表面等离激元是一种电磁波，在特定条件下，在金属表面与电磁 波相互作用，产生局域场增强效应。
表面等离激元的激发条件
化学掺杂
总结词
化学掺杂是一种通过改变石墨烯化学成分来调控其表面等离激元的方法。
详细描述
化学掺杂可以改变石墨烯的电子结构和光学性质，从而影响其表面等离激元的 激发和传播。常见的化学掺杂剂包括氮、硼、磷等元素。
电学调控
总结词
电学调控是一种通过外加电场来控制石墨烯表面等离激元的 方法。
详细描述
通过外加电场，可以改变石墨烯的能带结构和载流子分布， 从而影响其表面等离激元的激发和传播。这种调控方法具有 快速、高效、连续可调等优点。
06
参考文献
参考文献
参考文献1 标题：石墨烯表面等离激元的激发与调控研究 作者：张三，李四，王五
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离子束激发
利用离子束照射石墨烯， 在表面产生电荷分布，进 而激发等离激元。
理论激发方法
表面等离激元的激发及探测

表面等离激元的激发及探测

表面等离激元的激发及探测表面等离激元是一种位于金属表面的电磁波，可以激发金属表面的电子形成共振，产生强烈的电磁场，具有极高的局域化和增强性质。

在生物分子、化学分析、光学传感等领域中，表面等离激元技术得到了广泛的应用。

本文将介绍表面等离激元的激发及探测方法，并讨论该技术在化学和生物研究中的应用。

一、表面等离激元的激发方法表面等离激元的激发方法主要有三种：光学激发、电学激发和粒子束激发。

其中，光学激发是最为常见的激发方式，它通过在金属表面正入射激光束来产生表面等离激元。

当入射激光与金属表面的电子相互作用时，电子自由波和表面等离激元耦合，从而形成表面等离激元波。

二、表面等离激元的探测方法表面等离激元的探测方法主要有两种：光学探测和电学探测。

其中，光学探测是最为常用的探测方式。

在光学探测方法中，激发表面等离激元的激光通过光学系统导入与表面等离激元耦合的探测光纤或另一探测器上，以测量表面等离激元的共振谱。

在电学探测中，可以通过测量表面等离激元场的局部电流或电势，来间接测量表面等离激元的特性。

三、表面等离激元在化学研究中的应用表面等离激元在化学分析领域中有着广泛的应用。

例如，在表面等离激元拉曼光谱（SERS）中，表面等离激元与修饰金属表面上的分子共振，从而增强了分子的拉曼散射信号，可以对弱信号化合物进行高灵敏度和高选择性的检测。

此外，表面等离激元还可以通过测量表面等离激元感应荧光（SEF）来实现生物分子的检测。

利用表面等离激元产生的强烈电磁场，可以将荧光分子的荧光增强数千倍以上，从而实现对极低浓度的生物分子的检测。

四、表面等离激元在生物研究中的应用表面等离激元技术在生物学研究中也有广泛的应用。

例如，在蛋白质结构研究中，表面等离激元可以用来研究蛋白质的自组装过程以及蛋白质分子之间的相互作用；在单分子检测中，表面等离激元可以将单个分子的激发局限在一特定区域内，从而实现对单个分子的定位和监测，为分析和理解生物分子的自组装、相互作用和反应提供了新的手段；同时表面等离激元还可用于测量细胞膜的介电常数，从而实现对细胞膜性质的非侵入式测量。