表面等離子體是一種電磁表面波，它在表面處場(chǎng)強(qiáng)最大，在垂直于界面方向是指數(shù)衰減場(chǎng)，它能夠被電子也能被光波激發(fā)。表面等離子體是目前納米光電子學(xué)科的一個(gè)重要的研究方向，它受到了包括材料學(xué)家，化學(xué)家，物理學(xué)家，生物學(xué)家等多個(gè)領(lǐng)域人士的極大的關(guān)注。

表面等離子體發(fā)展歷史

表面等離子體的研究最早可追溯至上世紀(jì)。

自Wood發(fā)現(xiàn)電磁波在刻有光柵(Grating)的金屬表面上會(huì)產(chǎn)生異常的反射光譜后;

Fano首次提出此現(xiàn)象與沿著金屬表面?zhèn)鞑サ碾姶挪ü舱裼忻芮械年P(guān)系，Hessel和Oliner也提出相同的觀點(diǎn)。

在此同時(shí)，Ritchie發(fā)現(xiàn)當(dāng)高能電子通過(guò)金屬薄膜時(shí)有額外的能量損失，認(rèn)為其與金屬薄膜的界面有關(guān)，其后又結(jié)合了可見(jiàn)光頻段光柵繞射現(xiàn)象提出了表面等離子體的概念。

同年Kretschmann及Otto等人借由棱鏡耦合的方式成功地激發(fā)了此種非輻射性的表面波。至此，關(guān)于表面等離子體現(xiàn)象的描述已逐漸建立。

后續(xù)一連串的研究又發(fā)現(xiàn)刻有納米結(jié)構(gòu)的金屬薄膜，例如周期性的孔洞陣列(Hole Array)或凹槽(Grooves)，會(huì)使電磁波的穿透特性產(chǎn)生明顯的改變，讓原本不透光的金屬薄膜，在特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)有很高的穿透率，一般認(rèn)為造成這種特殊現(xiàn)象的原因是和入射電磁波與金屬表面等離子體的耦合共振相關(guān)聯(lián)的。

表面等離子體原理

若以微觀的尺度看，當(dāng)金屬結(jié)構(gòu)尺度縮小至比入射光的波長(zhǎng)更為微小之時(shí)，我們稱其具有次波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，此時(shí)其上的電子與外加電磁場(chǎng)(波)間具有集體強(qiáng)烈交互作用，將使得物質(zhì)產(chǎn)生新穎的光學(xué)特性，可與原組成物質(zhì)大不相同，此特性即所謂的表面等離子共振效應(yīng)。

歷史上著名的例子為L(zhǎng)ycurgus杯(見(jiàn)下圖)。古代工匠盡管不知道具體原理，卻已經(jīng)知道在制作玻璃藝術(shù)品時(shí)摻入微小的金屬顆粒會(huì)使其產(chǎn)生色彩上的變化。事實(shí)上，由于表面等離子效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，我們才知道其原因是存于其中的金屬顆粒能與特定波長(zhǎng)的可見(jiàn)光產(chǎn)生耦合共振，進(jìn)而散射出來(lái)的結(jié)果，其共振頻率取決于顆粒大小、金屬性質(zhì)及周?chē)镔|(zhì)。

表面等離子體共振效應(yīng)一向?yàn)檠芯繉W(xué)者感興趣的題目，其產(chǎn)生的奇異光學(xué)特性具有高度的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值，帶動(dòng)了超穎材料及次波長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)方面的研究，并影響納米科技及光子學(xué)等其他基礎(chǔ)領(lǐng)域的發(fā)展，同時(shí)具有廣泛的應(yīng)用潛力。依據(jù)該效應(yīng)而形成的表面等離子體光子學(xué)更顯示其已成為物理、化學(xué)、材料及生物等不同領(lǐng)域的科學(xué)家逐漸重視的研究課題。

近年來(lái)，由于納米科技的發(fā)展，使得研究者可以制作出具特殊納米結(jié)構(gòu)的材料，更促進(jìn)了這方面各種新現(xiàn)象與特性的研究，如光學(xué)元件、光儲(chǔ)存系統(tǒng)、光感應(yīng)器、太陽(yáng)能電池及等離子電腦。

表面等離子體應(yīng)用

1、表面等離子體電路

表面等離子由于具有和光波類(lèi)似的頻寬，但不受衍射極限所限制的特性，因此近年來(lái)已有許多研究著重在表面等離子體共振效應(yīng)如何應(yīng)用于光子網(wǎng)絡(luò)上。目前的研究發(fā)展可分為3類(lèi)：

①表面等離子增強(qiáng)型獨(dú)立元件，如濾波器與感應(yīng)器;

②可控制表面等離子元件，如波導(dǎo);

③完整的表面等離子電路。

現(xiàn)今研究工作著重在第1類(lèi)及第2類(lèi)上，而第3類(lèi)為此應(yīng)用的終極夢(mèng)想。下圖為Ebbesen等人提出利用光束控制表面等離子電路的概念。圖中A與B箭頭分別代表入射至電路的光束，目的是在該電路上產(chǎn)生及控制其上的表面等離子體傳播，最后轉(zhuǎn)換為另一道光束(C箭頭)射出，而該電路的功能則可根據(jù)需要而設(shè)計(jì)，舉例來(lái)說(shuō)，可以設(shè)計(jì)成具有與鄰近電路同步的功能。

為實(shí)現(xiàn)真正的表面等離子體電路，我們將需要類(lèi)似電子電路中的各種元件。舉例來(lái)說(shuō)，下圖為Atwater提出類(lèi)似于三極電晶體性質(zhì)的低功率表面等離子體開(kāi)關(guān)元件(Plasmonic Switch)。其操作原理，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是使用相對(duì)尺寸較大的介質(zhì)波傳送光學(xué)信號(hào)至一組表面等離子體開(kāi)關(guān)陣列中，再依次將信號(hào)送至電晶體。

在電子電路中，傳送電子信號(hào)的媒介是電線，而在表面等離子體電路中，傳送表面等離子體信號(hào)的方式為波導(dǎo)。下圖(a)為表面等離子體波導(dǎo)其中一范例，使用金屬性溝槽可使得表面等離子體在其中傳播，稱為通道型表面等離子體極化(Channel Plasmon Polaritons)，而在兩者間有一環(huán)形結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)可與通道內(nèi)的表面等離子體耦合，并且具有濾波器的特性。下圖(b)和(c)可看出其引導(dǎo)不同波長(zhǎng)的光束至不同方向，其波長(zhǎng)差只有40nm，濾波效果顯著。

2、生物檢測(cè)

表面等離子體共振效應(yīng)已被廣泛應(yīng)用于生物檢測(cè)上，其中部分研究著重在測(cè)量共振條件的改變以偵測(cè)待測(cè)物質(zhì)是否存在。其原理為存在于激發(fā)介電質(zhì)、金屬表面等離子體的條件與介電質(zhì)及金屬的組成有關(guān)，當(dāng)環(huán)境中有其他物質(zhì)存在于該介電質(zhì)時(shí)，則等效介電常數(shù)，即共振條件將被改變。以目前的技術(shù)而言，最小可偵測(cè)到折射的改變量約為3×10-7。

目前已商業(yè)化的表面等離子生物檢測(cè)技術(shù)主要是利用介電常數(shù)較高的物質(zhì)產(chǎn)生內(nèi)部全反射消散場(chǎng)作為激發(fā)源的方式來(lái)激發(fā)表面等離子體共振。當(dāng)介質(zhì)改變時(shí)，則產(chǎn)生全反射而激發(fā)表面等離子體共振的角度也發(fā)生改變。我們便可由該角度的變化量得知待測(cè)物質(zhì)是否存在。

另一種方法為利用表面等離子體共振以產(chǎn)生靈敏相位差。如下圖所示。此方法基于干涉儀加入表面等離子效應(yīng)加以改良而成。當(dāng)待測(cè)物質(zhì)附著在金屬層時(shí)，產(chǎn)生的表面等離子基元共振將影響在波導(dǎo)層傳播的導(dǎo)波，通過(guò)測(cè)量此導(dǎo)波的相位差即可知待測(cè)物質(zhì)是否存在。

表面等離子體也可以應(yīng)用于表面增強(qiáng)式拉曼散射光譜。當(dāng)分子被吸附在一片粗糙金屬表面時(shí)，我們可觀察到拉曼信號(hào)可增強(qiáng)5～6個(gè)數(shù)量級(jí)。其增強(qiáng)的原因是粗糙的金屬表面可產(chǎn)生沿著界面?zhèn)鞑サ谋砻娴入x子基元效應(yīng)，當(dāng)傳播至另一不平處，一部分能量將轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪ǘ鴤鞑ブ吝h(yuǎn)場(chǎng)，最后被偵測(cè)器接收。由于分子被吸附于金屬表面，其共振頻率將發(fā)生改變，而不同分子將具有不同的共振頻率，因此我們可借助偵測(cè)到的光譜得知不同分子的存在。

下圖為產(chǎn)生拉曼信號(hào)的物理機(jī)制。

3、超穎物質(zhì)

超穎物質(zhì)是一種具有人造次波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的特殊材料。人們?cè)O(shè)計(jì)此種物質(zhì)的目的是得到與電磁波交互作用后產(chǎn)生的特定光學(xué)特性。其中最具代表性的例子為隱形斗篷。根據(jù)轉(zhuǎn)換光學(xué)理論，光可繞過(guò)介電常數(shù)(ε)及導(dǎo)磁率(μ)為零的球殼狀物質(zhì)而使其內(nèi)部物質(zhì)不與光波作用，便如同隱形一般。

如下圖所示，當(dāng)太空船被隱形材料包圍住時(shí)，后方星團(tuán)的光將沿著該材料表面?zhèn)鞑ィ虼饲胺教綔y(cè)器無(wú)法得知該太空船的存在。超穎物質(zhì)使用的是具有負(fù)折射系數(shù)的表面等離子體物質(zhì)及正折射系數(shù)的介電質(zhì)材料，兩者若設(shè)計(jì)得當(dāng)，可使等效介電常數(shù)接近于0，為目前最有可能實(shí)現(xiàn)隱形斗篷方法之一。然而大部分研究只能在單頻光下實(shí)現(xiàn)，與人眼可偵測(cè)到的可見(jiàn)光頻段仍有段距離。目前已有部分研究提出在多個(gè)頻率或?qū)拵ьl下設(shè)計(jì)該超穎材料的方法。

表面等離子體發(fā)展方向

表面等離子體與非線性效應(yīng)之間的影響。由于表面等離子體的強(qiáng)局域性，利用其來(lái)研究非線性現(xiàn)象是一個(gè)很好的手段。這方面的研究還處在一個(gè)起步的階段，還需要大量的研究工作。

制作全等離子體回路。表面等離子體在制作亞波長(zhǎng)量級(jí)的光子器件上已經(jīng)顯示出了很大的潛力，像波導(dǎo)，反射鏡，分束器，投射增強(qiáng)器與合波器等等，但是要制作全等離子體回路還需要一段時(shí)間。

表面等離子體是一個(gè)很有趣的現(xiàn)象，有許多值得研究的方向，有許多激動(dòng)人心的結(jié)果，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)有越來(lái)越多的表面等離子體器件進(jìn)入市場(chǎng)，服務(wù)人類(lèi)。