表面等离子体光子学

表面等离子体共振在纳米材料制备中的应用

纳米材料的制备一直是材料科学领域的研究热点，而表面等离子体共振（surface plasmon resonance，SPR）作为一种强大的表征和探测技术，已经在纳米材料的制备中得到了广泛的应用。本文将探讨表面等离子体共振在纳米材料制备中的应用及其意义。

一、表面等离子体共振技术概述

表面等离子体共振技术是一种基于金属纳米结构表面电磁波的共振现象研究的技术。当入射光与金属纳米结构表面发生共振时，会激发出表面等离子体，从而引起金属的电磁场集体振荡。这种共振现象可以通过光学谱学等技术进行表征和测量，可以提供有关纳米材料的信息，如形貌、尺寸、形成机理以及表面等离子体的电场分布等。

二、表面等离子体共振在纳米材料制备中的应用

1. 纳米颗粒制备

表面等离子体共振技术可以用于纳米颗粒的制备，通过调节金属纳米颗粒的形状和尺寸，可以实现对颜色和光学性能的调控。通过激发金属纳米颗粒的表面等离子体共振，可以产生强烈的局部电场增强效应，从而实现光电催化、光学传感和光子晶体等应用。此外，表面等离子体共振还可以通过控制纳米颗粒的形状和排列方式，实现可见光的隧穿透镜和超分子化学反应的调控。

2. 纳米薄膜制备 表面等离子体共振技术在纳米薄膜制备中也发挥着重要的作用。通过将光敏材料结合到金属薄膜的表面，可以实现对金属薄膜光学性质的调控。表面等离子体共振技术可以通过对金属薄膜的厚度、结构和材料的选择进行优化，从而实现纳米薄膜的高效传感、光电特性和光谱响应等应用。此外，通过在金属薄膜表面引入纳米结构，还可以实现纳米薄膜的超表面等离子体共振效应，从而产生表面增强拉曼散射、光电子能谱和光子晶体等效应。

3. 纳米器件制备

表面等离子体共振技术在纳米器件制备中的应用也日益广泛。通过利用表面等离子体共振效应，可以实现纳米器件的高灵敏度传感、超分辨率成像和超快光学调控等功能。例如，利用表面等离子体共振技术可以制备超灵敏的表面等离子体共振传感器，实现对微量生物分子的检测和分析。此外，通过结合纳米光子学和表面等离子体共振技术，还可以实现纳米光子晶体传感器、光逻辑门和纳米光子网络等器件的制备。

第二章 光子、电子、离子和等离子体 光子、电子和离子束和等离子体是现代微细与纳米加工最重要的手段。在美国召开的、最重要的关于微细与纳米加工技术的国际会议: International Conference on Electron, Ion & Photon Beams & nano fabrications。 2.1 光波与光子（Photon） 现代物理概念, 光具有二象性：微粒与波。 微粒：光子。基本特点是离散即量子化效应。光的微粒性典型体现在光电效应、康普顿效应和光子与正负电子转化现象上；黑体辐射要用微粒概念才能解释。 波：电磁波，矢量波场。基本特点包括其弥散性存在形态、其时间和空间的周期性。波动性的典型体现是干涉和衍射现象。 微粒特征与波动特征之间的联系： 光子能量 ωνhhE== 光子动量 λ/hhkp== 光子能量越高，光波波长越短，微粒及量子性越明显；反之依然，光子能量越低，光波波长越长，波动性越明显。 电磁波谱：频率、波长、光量子能量、温度。光量子能量与频率、波长，以及温度与黑体热辐射最可几波长关系： KmTchEm⋅×===−310896.2,,λλνν 无线电波：几百米波（中波），几十米波，几米波（短波） 微波：分米波，厘米波，毫米波 T赫兹波：亚毫米波；某些驰豫过程 红外线：微米波；分子作用，振动能级，转动能级 （可见）光：亚微米波；能量 eV；最外层（价）电子作用 紫外线：亚微米－纳米波；能量 几十－几百eV X射线：纳米－亚纳米－亚埃波；能量0.几-几十keV；内层电子作用 Γ射线：能量MeV及以上；原子核及基本粒子过程

2.2 光源及其相干性 光源有多种：例：白炽灯、卤钨灯－热辐射光源；钠灯、水银灯、Xe灯－气体放电光源；日光灯－气体放电＋荧光光源；激光器－受激辐射光源。 特征：亮度、波长（颜色），相干性。 微细加工技术中光源的用途：曝光光刻系统光源；激光诱导化学汽相淀积和外延；激光蚀刻；激光退火和热处理；激光机械加工——钻孔、切割和焊接。 以下主要针对高分辨的光刻曝光技术光源。 2.2.1 弧光放电灯 弧光放电是一种气体放电形式。曝光用可见光源，主要为高压水银灯，功率500～1000W。这是一种气体弧光放电光源，是现代技术中最亮的人工非相干光源。高压气体放电形成相当高的温度，水银气化放电，压强可达40个大气压，弧光放电等离子体的典型温度达40000K，其连续谱辐射波长范围200～600nm，光谱由热辐射本底连续谱上的很多特征谱线构成。其所谓g-line（436nm）和i-line（365nm）的单色特征谱线较强而常用。i线已是紫外射线，经滤光镜滤掉连续谱后常用于高分辨的分布重复曝光和掩模制备系统。与常用的光致抗蚀胶的吸收（敏感）配合的主要波长段是300～450nm。 2.2.2 激光光源 使用激光代替放电灯主要因素是激光的单色性、高亮度、好的准直性（非常小的发散角）和相干性。在与光谱和光化学有关的场合，单色性和狭窄的波长范围显得更为重要。典型使用的激光器有氩离子激光器、钕玻璃和钕石榴石激光器和二氧化碳激光器。在激光退火中常用使用Q开关的钕玻璃和钕石榴石激光器，或脉冲能量密度为0.5～10J/cm2的红宝石激光器。 光源 亮度(W/cm2·sr) 谱亮度(W/cm2·sr·Hz) 1 KW弧光水银灯 103 10-10 10W Ar+激光器 4×109 1 100W CO2激光器 108 10 1J 10ns脉冲 钕玻璃激光器 1016 103

表面等离子体激元简介

一．表面等离子体激元

表面等离子体（Surface Plasmons）的出现提供了一种在纳米尺度下处理光的方式。表面等离子体通常可以分成两大类——局域表面等离子体共振（Localized Surface Plasmon Resonance）和表面等离子体激元（Surface

Plasmon Polaritons）。局域表面等离子体共振专指电磁波与尺寸远小于波长的金属纳米粒子中的自由电子的相互耦合，这种等离子体只有集体共振行为，不能传播，但可以向四周环境辐射电磁波。局域表面等离子体共振可以通过光直接照射产生。表面等离子体激元指的是在金属和电介质分界面上传播的一种元激发Excitations），这种元激发源自电磁波和金属表面自由电子集体共振的相互耦合。表面等离子体激元以指数衰减的形式束缚在垂直于传播的方向，由于它的传播波矢要大于光在自由空间中的波矢，电磁波被束缚在金属和电介质的分界面而不会向外辐射，也正是因为这种独特的波矢特性，表面等离子体激元的激发需要满足一定的波矢匹配条件。

二．SPPs的激发和仿真方法

由于SPSs的波矢量大于光波的波矢量，或者说SPPs的动量与入射光子的动量不匹配，所以不可能直接用光波激发出表面等离子体波。为了激励表面等离子体波，需要引入一些特殊的结构达到波矢匹配，常用的结构有以下几种：（1）棱镜耦合：棱镜耦合的方式包括两种，一种是Kretschmannt方式；另一种是Otto方式。（2）采用波导结构（3）采用衍射光栅耦合（4）采用强聚焦光束（5）采用近场激发。

目前主要的仿真方法有以下三种

（1）时域有限差分法(finite difference time domain，FDTD)：FDTD方法是把Maxwell方程式在时间和空间领域上进行差分模拟，利用蛙跳式(leaf flog algorithm)空间领域内的电场和磁场进行交替计算，电磁场的变化通过时间领域上更新来模仿。优点是能够直接模拟场的分布，精度比较高，是目前使用较多的数值模拟方法之一。

科学中国人

表面等离子体增强LEO发光效率的原理分析

李丽芳

广东南方职业学院

摘要:表面等离子体具有表面受限性和局域场增强性等特点

可以用来增强发光任D的发光效率。本文根据表面等离子体的特性探讨表面等离子体增强任D发光效率的基本原理。表面等离子

体在共振时具有很高的态密度当共振频率与发光频率相匹配时

可以提高发光中心的内量子效率从而增强LED的发光效率。

关键词:表面等离子体;共振频率;发光效率因素很多包括半导体发光中心与金属的距离、金属结构的形状、

发光波长与等离子共振带的关系等这些因素在不同的发光体系

中所占的比重不同增强效果也有所不同。

利用Mathelalitca软件求得空气一金属薄膜一氮化嫁三层介

质的色散曲线:

口j目祖忍摇匕谧1表面等离子体的概念

表面等离子体就是光激发金属材料表面的自由电子使电子

集体在纵向起伏相干振荡而产生在金属与介质界面的电磁波。它

具有表面受限性和局域场增强性等特点。当金属层受到外电磁场的作用时内部自由电子密度会重新分布使金属表面两边产生电

场若金属与电介质界面两侧电场垂直分量不连续再受到平行金属表面电场的刺激会使界面处金属电荷发生集体式电偶极震荡即为表面等离子体共振现象。当光频率大于金属等离子共振频率

时金属表现为介质特性光能穿透过金属继续传播。当光频率小于金属等离子共振频率时金属与介质的相对介电常数互为相反

数其频率为表面等离子体频率。若光频率小于表面等离子体频

率存在的表面等离子体是一种表面束缚模式;而当光频率大于表面等离子体频率时光能透过金属是一种辐射模;在表面等离子

体频率与光频率之间模式不存在。因此只有金属的相对介电常

数实部为负且绝对值大于介质的相对介电常数时才会产生表面

等离子体。金属的介电常数系数为:二二=二二一崛/脚2+i州)

其中。:光频率;。,:金属等离子共振频率;下:自由电子碰

撞频率。金的二二取984。,取geV下取67IneV;银的二二取37

。,取9leV下取18IneV。

2表面等离子体增强发光的理论分析