基本介紹
- 中文名：表面電漿
- 外文名：surface plasmons
- 說明：是一種電磁表面波
- 研究方向：光子學 數據存儲 顯微鏡 光波導
簡介,科學歷史,基本原理,特性,激發方式,稜鏡耦合,波導結構,光柵耦合,強聚焦光束,近場激發,遠場激發,研究方法,技術套用,發展方向,
簡介
表面電漿科學歷史
1902年，R. W. Wood在實驗中發現了金屬光柵的衍射異常現象，在正常的衍射角分布譜中出現了新的衍射峰（谷），1907年Rayleigh在他的衍射理論中嘗試解釋這一現象，但是直到1941年U. Fano 才成功地將這一現象和先前1899-1909年由Zenneck和Sommerfeld提出的電磁表面波(electromagnetic surface wave)的理論聯繫起來。衍射譜的峰(谷)實際上衍射模式和金屬表面的表面等離激元耦合過後的結果。在特定的衍射角度，當滿足波矢匹配(也即光的動量守恆)條件時，光能量可以與表面等離激元能量互相轉換，衍射譜圖中也就相應的出現峰或谷。R. H. Ritchie注意到，當高能電子通過金屬薄膜時，不僅在等離激元頻率處有能量損失，在更低頻率處也有能量損失峰，並認為這與金屬薄膜的界面有關 。1959年，C. J. Powell和J. B. Swan通過實驗證實了R. H. Ritchie的理論 。1960年，E. A. Stren和R. A. Farrel研究了此種模式產生共振的條件並首次提出了表面等離激元（SurfacePlasmon，SP）的概念 。在納米技術成熟之後，表面電漿受到了人們極大的關注，從20世紀90年代起成為研究的熱點。它已經被套用於包括生物化學感測，光電子集成器件多個領域。
表面電漿共振儀
表面電漿共振儀基本原理
表面電漿（Surface Plasmons，SPs）是指在金屬表面存在的自由振動的電子與光子相互作用產生的沿著金屬表面傳播的電子疏密波。其產生的物理原理如下：如作圖所示，在兩種半無限大、各向同性介質構成的界面，介質的介電常數是正的實數，金屬的介電常數是實部為負的複數。根據maxwell方程，結合邊界條件和材料的特性，可以計算得出表面電漿的場分布和色散特性。
納米金屬晶體的表面電漿共振存在不同的分類方式：1) 橫向(transverse surface plasmon resonance)與縱向(longitude surface plasmon resonance)。其中，縱向表面電漿共振有希望套用於光波導。2) 局域電漿共振(localized surface plasmon resonance)與傳播等立體子體共振(propagating surfaceplasmon resonance)。
金屬膜與電介質表面間的電漿振盪
金屬膜與電介質表面間的電漿振盪值得注意的是longitude surface plasmon resonance與localized surfaceplasmon resonance的英文縮寫都是LSPR(或者LSP)，在不同的文章中容易混淆。
特性
一般來說，表面電漿波的場分布具有以下特性：
1.其場分布在沿著界面方向是高度局域的，是一個消逝波，且在金屬場中分布比在介質中分布更集中，一般分布深度與波長量級相同。
2.在平行於表面的方向，場是可以傳播的，但是由於金屬的損耗存在，所以在傳播的過程中會有衰減存在，傳播距離有限。
激發方式
由於在一般情況(對於連續的金屬介質界面)下，表面電漿波的波矢量大於光波的，所以不可能直接用光波激發出沿界面傳播的表面電漿波(propagating surface plasmon)。為了激勵表面電漿波，需要引入一些特殊的結構達到波矢匹配，常用的結構有以下幾種：
稜鏡耦合
稜鏡耦合的方式包括兩種：一種是Kretschmann結構：金屬薄膜直接鍍在稜鏡面上，入射光在金屬-稜鏡界面處會發生全反射，全反射的消逝波可能實現與表面電漿波的波矢量匹配，光的能量便能有效的傳遞給表面電漿，從而激發出表面電漿波。另一種是Otto結構：具有高折射率的稜鏡和金屬之間存在狹縫，狹縫的寬度比較小，大約幾十到幾百個納米，這樣使用起來比較不方便，所以只有在科研的過程中會偶爾用到。
波導結構
在實際的研究中，常採用光纖做波導，剝去光纖某段的包層，再鍍上金屬，這樣就實現了一種最簡單的波導激發表面電漿波的結構。其中光纖做波導有終端反射式和線上傳輸式主要兩種，以及基於此兩種激髮結構的光纖SPR感測器。如圖
光柵耦合
利用光柵引入一個額外的波矢量的增量實現波矢量的匹配。常用的光柵主要是一維光柵，二維光柵以及孔陣列結構和顆粒陣列，圖中是一維的光柵結構。由於光柵結構的材料參數與幾何參數等都可以自己選定，可供研究的內容很豐富。這種結構一方面能夠激發表面電漿波，另一方面二維光柵結構中能夠引入能帶，從而使得表面波的特性受到能帶的影響，使得器件的參數更加可控。
強聚焦光束
利用高數值孔徑的顯微目鏡直接接觸到介質層，在介質層與目鏡之間塗上匹配油層，高數值孔徑能夠提供足夠大的入射角，能夠實現波矢量匹配，從而激發出表面電漿波。
近場激發
遠場激發
研究方法
用來研究的表面電漿效應的數值方法主要有以下幾種：
1.時域有限差分方法（Finite Difference Time Domain ，簡稱FDTD）。FDTD方法是把 Maxwell方程式在時間和空間領域上進行差分化。利用蛙跳式(Leaf flog algorithm)--空間領域內的電場和磁場進行交替計算，通過時間領域上更新來模仿電磁場的變化，達到數值計算的目的。用該方法分析問題的時候要考慮研究對象的幾何參數，材料參數，計算精度，計算複雜度，計算穩定性等多方面的問題。其優點是能夠直接模擬場的分布，精度比較高，在成功地商業軟體開發出來之後，FDTD是使用得比較多的數值模擬的方法之一。
2.嚴格耦合波方法（rigorous coupled-wave analysis ，簡稱RCWA）。該方法是分析光柵的有利工具，它是基於嚴格的矢量maxwell方程來分析的。由於在很多的表面等離子的結構中都會引入衍射光柵結構，所以RCWA方法也被越來越多的學者用來分析相關的問題，並且取得了不錯的效果。
3.有限元方法（Finite Element Method，簡稱FEM）。該方法也是一種數值模擬方法，它採用簡單的問題來近似複雜的問題，在有限元內取近似解逼近精確解。該方法分析的是一種近似結果，但是能解決很多的問題，在科學研究中的套用也比較廣泛。
這方面的分析還有其他一些特殊的方法，主要是針對不同的結構，不同的材料二提出，在此就不一一列出。
由於表面電漿器件的尺寸一般都處在亞波長量級，所以製作表面電漿器件採用的基本是微納加工的技術。主要技術如下：
1.電子束曝光技術：這一步是實現小尺寸器件製作的一個關鍵和核心的步驟，也可以採取全息等手段，但是效果不如電子束。但是電子束曝光不能製作大面積的器件，這是它的一個弱點。
2.金屬剝離技術：製作金屬光柵結構的核心步驟之一。在電子束曝光之後形成的圖形上，採用金屬剝離的技術能夠製作出效果很好的金屬微納結構。這一技術相對比較成熟。
3。乾法刻蝕技術：製作金屬微納孔結構可以採用該方法。乾法刻蝕是利用等離子原理有選擇地從晶片表面去除不需要的材料的過程。乾法刻蝕主要包括等離子增強反應離子刻蝕、電子迴旋共振刻蝕（ECR）、感應耦合電漿刻蝕（ICP）等蝕刻技術。
還有其他的一些特殊工藝套用在整個實驗與製作的過程中，像電子束蒸發，離子濺射等技術。
表面電漿表面技術