第五课：表面等离激元

表面等离激元纳米光子学
表面等离激元纳米光子学是一门研究表面等离激元与纳米材料相互作用和应用的学科。

等离激元是一种由光子与电子在金属或半导体表面相互作用而形成的量子激发态。

等离激元可以在纳米尺度范围内限制光的传播，使其在表面上产生局域化，并且具有特殊的光学性质。

表面等离激元纳米光子学的研究内容包括：基于等离激元的光学传感器，利用等离激元增强光的局域化和聚焦效应，以及等离激元在纳米结构中的调控，实现光学器件的功能化和性能优化等。

该领域的研究对于开发新型的光学器件、提高光的数据传输和处理速度以及实现更高效的光能利用具有重要意义。

表面等离激元纳米光子学的应用领域包括：光学传感、超分辨成像、光子耦合、光学计算等。

例如，基于表面等离激元的传感器可以实现高灵敏度的生物分子检测；利用等离激元纳米结构可以实现超分辨率显微镜和光子集成电路等；利用等离激元和纳米光子结构可以实现光子耦合和调控，进而用于光电子学器件的制备及应用。

总之，表面等离激元纳米光子学是一门综合了纳米技术和光子学的新兴学科，可以为光学器件的设计和开发提供新的思路和方法。

表面等离激元共振
表面等离激元是物理学中的一种重要的现象。

它涉及到可见光、微波和亚电子能量谱等多
种物理过程，是多个科学学科的基础。

其原理是当外界空间电场强度为E时，固体解决空
间电场中分布式电荷，并创造出两个来自表面的浮动力。

因此，表面等离激元发出的能量，强度可以超过来自表面的电荷力的能量，从而形成表面等离激元共振。

表面等离激元是一种物理共振，其特点是使金属表面的电子能量能空间的电荷分布的变化，从而产生一种强大的可见光和微波作用，具有强大的光学性质，并可能使表面产生特殊的
力学性质。

它是金属表面反射、吸收特定光谱上的电磁波及半导体表面吸收特定光谱该过
程的基础。

表面等离激元非常之小，半径仅为0.1到0.4nm，它不仅小而且具有高自身稳
定能，能够在空间和表面电场发生强烈变化时维持其强度和稳定。

表面等离激元的最重要的应用之一是用作微纳加工装备的光源。

此外，在纳米技术的发展中，表面等离激元的应用也可更加深入。

例如，可以用它来制造可控的光子结构，这将有
助于研究光子的传输，并为设计高效的光子晶体和超细光纤提供基础。

此外，表面等离激元还可以应用于生物学、化学和药物学等领域。

首先，可以利用表面等
离激元“指纹”形成光学显微镜，可以精确观察微观尺度的生物学反应。

同时，由于表面
等离激元可以充当光子的靶位，所以它可以被用来研究光激发的化学反应和可靠的疗法，
从而更好地控制材料的表面性质，以此来改善医疗设备上的生物毒性。

总之，表面等离激元是一种重要的现象，可以深入到多个科学领域，为各种物理现象提供
基础，并形成重要的应用。

总结表面等离激元效应：金属表面的电子俘获外加光长形成构成具有独特性质的电子疏密波（SPPs），SPPs眼金属表面传播，受制于金属的趋肤效应，只有极少的光能量可以穿透，同时激发的SPPs更多的局限于金属表面（可能是应为电流的热效应）而不能向外辐射，传播距离只有微纳级。

当金属结构尺寸与传播距离相当，才可以把SPPs的作用最大发挥，因此金属薄膜不能太厚。

效应的应用：具有很强的局域场增强能力，可以束缚自由电子。

ZnO的基本性质：1.禁带：物体中存在着自由电子（存在于导带）和价层电子，价层电子的能级与导带中电子的能级之差称为禁带。

2.激子：电子从价层吸收能量激发到导带，同时在原来的位置形成空穴，空穴带正电，有有效质量，带电荷数与电子相同，又由于库仑力的作用，与电子束缚在一起形成不带电的集合——激子，激子可以在物体表面自由运动。

激子中的电子可以跃迁到对应空穴，产生光子。

3.束缚激子：等电子陷阱俘获自由电子，因为库伦力，所以同时会俘获空穴，形成束缚激子。

束缚激子越多，自由电子跃迁的概率越大，ZnO发光效率就越高。

4.ZnO的性质：a.ZnO晶体结构一般为六方纤锌矿、立方岩盐矿、闪锌矿等结构。

其中六方纤锌矿结构最为稳定，有很好的成膜特性，实用价值最理想。

以下数据以六方纤锌矿为主。

b.ZnO禁带宽，激子束缚能较大,禁带宽3.37eV，激子束缚能60meV，其电阻率较高，为0.01欧姆每厘米，熔点1970摄氏度，热稳定性好。

载流子浓度为10-17/cm-3。

向其中杂Al后，禁带宽度增加到4.54eV，电阻率降低到7.85*10-4欧姆每厘米。

c.ZnO薄膜具有压敏性。

ZnO压敏材料在外加电压的作用时，存在一个阀值电压（大致在0.1—1.0V）。

当外电压高于该值时，电压的微小变化会引起电流的激烈波动。

阀值电压与晶体界面有关，晶体界面数越多阀值电压越大。

增大晶体粒径或减小ZnO材料厚度都有利于减少晶体界面数，从而降低阀值电压。

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。

表面等离激元共振原理
表面等离激元共振是一种在表面等离激元中发生共振现象的物理现象。

表面等离激元是一种在金属和介质界面上产生的电磁波模式，它是金属中的自由电子与光子之间的耦合模式。

表面等离激元共振原理可以通过以下步骤进行解释：
1. 当电磁波入射到金属-介质界面时，部分能量会被金属吸收，而另一部分能量会被反射。

2. 当入射角度和波长满足一定的条件时，进入金属表面的光子能够与自由电子耦合形成表面等离激元。

这些电子和光子之间的耦合形成了新的电磁波模式，即表面等离激元。

3. 表面等离激元的形成导致了共振现象，即当入射角度和波长符合表面等离激元的共振条件时，能量将得到最大的能量传递。

4. 共振产生的电磁波能够在金属表面上传播，形成波浪或驻波模式，具有较高的局部电场强度。

表面等离激元共振具有很多重要的应用，包括传感器、光学器件、太阳能电池等领域。

通过调控和利用表面等离激元共振现象，可以实现更高效的能量传输、灵敏的传感器探测以及更高分辨率的成像等。

表面等离激元表面等离激元(surface plasmon，SP)是金属和介质界面区域的一种自由电子和光子相互作用形成的电磁模。

这一概念在1957年由Huffman等首次提出，他认为金属中自由电子被外加电磁场激发后，会在正离子的背景下进行量子化的振荡即等离激元。

这一现象由Powell 等于1959年在一个金属铝的实验中首次证实。

定义：当光波(电磁波)入射到金属与电介质分界面时，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。

应用：随着表面等离激元理论研究的深入以及各种结构的器件的成功制作，其在光学各领域应用具有巨大的潜力，尤其在解决了一些以往光学长期不能解决的问题，其中包括金属亚波长结构的增透效应在超分辨率纳米光刻、高密度数据存储、近场光学等领域的应用。

表面等离激元在光刻中的应用在光刻技术中，由于存在衍射极限，无法用普通的掩模在可见光波段曝光得到小的结构，在实际工艺中，为了克服衍射极限，一般采用移相掩模技术、离轴照明术、邻近效应矫正等技术。

但实现的工艺都比较复杂。

支持SPPs的金属掩模就可很容易的克服衍射极限，达到亚波长分辨率。

远场光学透镜成像当倏逝波通过一个特制的金属层时，由于亚波长结构的表面等离子的耦合共振激发，将在后面继续传播下去。

再通过探测器探测，获得被观测物的细节信息。

这种方法提高了点对点成像技术。

但这不是一个严格意义上的远场成像系统，因为亚波长的金属层仍然需处在被观测物体的近场范围内。

负折射及成像器件利用银膜可以实现负折射，并进一步实现成像，其中特点有:(1)负折射率材料与周围介质折射率匹配，表面没有反射;(2)物像之间的距离是透镜厚度的两倍;(3)透镜没有光轴，为平板成像;(4)突破衍射极限，实现超分辨成像。

表面等离激元光谱增强表面等离激元（Surface Plasmon Resonance，SPR）光谱增强是一种在表面等离激元共振技术基础上进一步提高灵敏度和检测性能的方法。

表面等离激元是一种在金属表面上产生的电磁波，与介质中的光波耦合，形成共振现象。

这一现象在传感、生物医学和化学分析等领域得到了广泛的应用。

以下是关于表面等离激元光谱增强的一些主要内容：1. 表面等离激元原理表面等离激元是一种发生在金属表面上的电磁波，其产生的机制涉及到金属电子和电磁波之间的耦合。

当金属表面上存在电子的集体振荡时，这些电子将与入射的光波发生耦合，形成表面等离激元。

SPR的共振条件取决于金属、介质和入射光的性质，因此可以通过调整这些条件来实现对SPR的控制。

2. 表面等离激元光谱SPR技术通过监测光在金属表面上的反射来获取信息。

在共振条件下，入射光的反射将发生突变，这种变化与与金属表面相互作用的生物分子或化学物质的特性有关。

因此，通过检测SPR光谱的变化，可以实现对生物分子的检测和分析。

3. 光谱增强技术为了提高SPR技术的灵敏度和检测性能，研究人员开发了一系列光谱增强技术。

其中的一些关键方法包括：纳米结构设计：通过在金属表面引入纳米结构，如纳米颗粒或纳米孔洞，可以增加SPR效应，提高检测灵敏度。

纳米颗粒增强：利用金属纳米颗粒的局域电磁场增强效应，可以在SPR信号中引入显著的增强。

表面增强拉曼散射（SERS）：结合SPR和SERS，可以实现对表面吸附物质的高灵敏检测，特别是对于小分子的检测。

二维材料：使用二维材料，如石墨烯，作为表面支持材料，可以在SPR效应中引入新的调控机制，提高灵敏度。

4. 应用领域表面等离激元光谱增强技术在生物医学、化学分析和环境监测等领域有广泛的应用。

例如，在生物传感器中，通过将生物分子固定在SPR传感器表面，可以实现对生物分子的高灵敏检测，包括蛋白质、DNA和细胞等。

5. 挑战和前景尽管表面等离激元光谱增强技术在许多方面取得了显著进展，但仍然存在一些挑战，如实验复杂性、制备成本和稳定性等。

表面等离激元的应用随着纳米技术的不断发展和进步，表面等离激元技术（Surface Plasmon Polariton，SPP）成为了一个备受关注的研究领域。

表面等离激元是指在介质与金属表面的交界处，由于光的电磁波与金属表面的自由电子相互作用而形成的一种电磁波。

表面等离激元具有高度局域化、增强的电磁场和高灵敏度等特点，因此在生物传感、光电器件、光电子学、纳米光学等领域中有着广泛的应用。

一、生物传感表面等离激元技术在生物传感领域中具有很大的潜力。

利用表面等离激元技术，可以将生物分子与金属表面的自由电子相互作用，从而实现对生物分子的检测和分析。

例如，利用表面等离激元技术可以制备出高灵敏度的生物传感器，用于检测生物分子的浓度、结构和活性等信息。

同时，表面等离激元技术还可以用于研究生物分子的相互作用和结构，从而为生物医学研究提供重要的支持。

二、光电器件表面等离激元技术在光电器件中的应用也非常广泛。

例如，利用表面等离激元技术可以制备出高效的太阳能电池、光电探测器和光纤通信器件等。

其中，太阳能电池是利用表面等离激元技术制备的纳米结构材料，通过表面等离激元的局域化和增强效应实现对太阳能的高效吸收和转换。

光电探测器则是利用表面等离激元技术制备的纳米结构材料，通过表面等离激元的灵敏度和局域化效应实现对光信号的高灵敏度检测。

光纤通信器件则是利用表面等离激元技术制备的纳米结构材料，通过表面等离激元的局域化和增强效应实现对光信号的高效传输和处理。

三、光电子学表面等离激元技术在光电子学中也有着广泛的应用。

例如，利用表面等离激元技术可以制备出高效的光学波导、光学陷阱和光学开关等器件。

其中，光学波导是利用表面等离激元技术制备的纳米结构材料，通过表面等离激元的局域化和增强效应实现对光信号的高效传输和处理。

光学陷阱则是利用表面等离激元技术制备的纳米结构材料，通过表面等离激元的局域化和增强效应实现对光信号的高效操控和捕获。

光学开关则是利用表面等离激元技术制备的纳米结构材料，通过表面等离激元的局域化和增强效应实现对光信号的高效调控和切换。

化学物理学中的新研究——表面等离激元随着科学技术的不断进步，各种新的研究领域也不断涌现。

在化学物理学中，表面等离激元就是一项新兴的研究领域。

它在实际应用中具有广泛的应用场景和重要的作用。

一、表面等离激元的概念表面等离激元是一种集体的、准粒子型的激发态，可以在介质表面上引起电磁波局部增强。

表面等离激元可以与外部电磁波相互作用，形成表面等离子共振，使电磁波在界面上产生强烈的局部场。

因此，表面等离激元通常被视为一种局部电场和静电场，同时也可以被看作是一种电磁波的束缚态。

表面等离激元在化学物理学中有许多重要的应用，比如可以用来增强荧光信号、增强光催化活性、提高表面增强拉曼散射等。

因此，表面等离激元在化学物理学中具有广泛的应用前景和深远的意义。

二、表面等离激元的产生机制表面等离激元的产生机制十分复杂，目前还没有一个完全统一的理论来解释它。

但是可以根据材料的性质和外部电磁场的特点来大致分为两类：金属基底和介电体基底。

对于金属基底，表面等离激元的形成主要是由于金属电子和外部电磁场之间的相互作用导致的。

金属表面的自由电子与光线中的电场发生相互作用，从而形成电荷排列模式，进而形成表面等离激元。

此时，表面等离激元的频率和强度主要由金属表面的形貌、金属的电子密度和光场的波长和偏振等因素所决定。

而对于非金属介电体基底，则表面等离激元的产生主要是由于表面极性分子和外部电磁场之间的相互作用导致的。

介电体表面上的分子团簇与光线中的电场发生相互作用，最终形成表面等离激元。

此时，激元的频率和强度主要由介电体的折射率、分子极性和分子间距以及辐射场的波长和偏振等因素所决定。

三、表面等离激元的应用表面等离激元在化学物理学中有着广泛的应用领域。

下面列举几个重要的应用案例。

1. 表面等离激元增强荧光信号利用表面等离激元可以增强荧光信号的强度和稳定性。

当一种荧光分子与一个金纳米颗粒结合时，表面等离激元会在纳米颗粒表面上产生强烈的电场，使荧光分子发生强烈的局部场增强效应，从而显著增强荧光信号的强度和稳定性。