表面等离子体光子学

1、表面等离子体光子学PLASMONICS组员：吴疆，陈昊，陶冶，卢旺利班级：物140主要内容表面等离子体Surface Plasmons等离子体与表面等离子体Difference表面等离子体光子学Plasmonics表面等离子体光子学的应用Application什么是表面等离子体是一种电磁表面波在表面处场强最大在垂直于界面方向是指数衰减场既能够被电子激发也能被光波激发表面等离子体（Surface Plasmons，SPs）是指在金属表面存在的自由振动的电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波。等离子体和表面等离子体是什么关系等离子体和表面等离子体是什么关系一般提起等离子体，大家想到的

2、是电离的空气或者太阳上的高温物质。但是，你如果仔细考虑一下金属的自由电子模型，那么在正离子背景中运动的自由电子“气”也是一种“等离子体”。金属中正离子晶格的集体振荡可以量子化为声子的产生、传播与湮灭；同样，金属中自由电子气的集体振荡也可以看做是一种集体激发，也可以量子化为某种准粒子的作用。表面等离子体”也可以算是“等离子体”的一种。但是这个“等离子体”并不是一般人所想象的那种与“固、液、气”并列的高温等离子体。区别 Plasma Surface Plasmons定义表面等离子体光子学表面等离子体光子学（Plasmonics）是将表面等离子体技术应用到光子学领域而发展出来的一门新的学科，它是构成

3、纳米光子学的最重要部分。简介表面等离子体光子学表面等离子体光子学已成为一门新兴的学科，它的原理、新颖效应以及机制的探究，都极大地吸引研究者们的兴趣。Plasmonics具有广阔的应用前景，例如，应用于制作各种 SPPs元器件和回路，制作纳米波导、表面等离子体光子芯片、耦合器、调制器和开关，应用于亚波长光学数据存储、新型光源、突破衍射极限的超分辨成像、SPPs纳米光刻蚀术、以及生物光学（作为传感器和探测器）。相关应用/表面等离子体光子学表面等离子体波沿着金属介质界面传播，而在垂直于界面方向是消逝波。同时由于它的波长非常小，因此可以实现纳 米级的二维甚至三维的能量局域。这样不但可以实现高密度的集成

4、，也同时获得了极高的能量密度。因此表面等离子体在纳米光子学、纳米加工、数据存储，显微镜，太阳能电池和生物传感等方面具有广阔的应用前景表面等离子体集成电路表面等离子体集成电路相关应用/表面等离子体光子学电子器件的信息载荷量有限，无法满足对高速高容量信息处理的要求。光子器件具有高速高带宽的特点，光子计算机也成为人们对下一代信息处理设备的希望。然后光子器件尺寸一般都在波长量级，随着尺寸减小损耗会很快上升，无法完成和现有纳米尺寸的电子器件互连。表面等离子体波同时具有高局域和高带宽的特性，成为一个可能的解决方案。表面等离子体生物传感技术表面等离子体生物传感技术相关应用/表面等离子体光子学因为表面等离子体

5、波在表面的局域特性，它的振荡态对表面环境特别敏感，因而可以制作高敏感高集成的传感器，用于对细胞活动的实时探测。传统的表面等离子体采用棱镜耦合的平面金属膜实现生物探测，其尺寸大，需要对准。金属纳米颗粒对入射光选择性的散射或透射同样可以用于生物探测，这种方案具有体积小和平行探测的优势。表面等离子体数字成像技术表面等离子体数字成像技术相关应用/表面等离子体光子学金属纳米结构的选择性散射或者透射效应在中世纪已经被世人发现。将不同的金属纳米颗粒加入到玻璃中可以实现不同的色彩。随着纳米加工技术的发展，如果将金属纳米结构引入到成熟廉价的CMOS工艺中来实现数码成像设备需要的彩色滤波功能，不仅省去了普通的染色

6、滤波器工艺，同时降低了串扰并增加了更多的功能性。表面等离子体纳米光刻技术表面等离子体纳米光刻技术相关应用/表面等离子体光子学金属纳米结构可以在纳米尺寸控制表面等离子体波的传播，进而实现聚波、分波和导波的功能。利用可以聚焦表面等离子体波的等离子体金属透镜可以获得一百纳米甚至更小的局域波，来实现无掩模版的近场纳米光刻。这对未来的微电子设备继续小型化集成化发展具有极大的推动作用。表面等离子体太阳能电池表面等离子体太阳能电池相关应用/表面等离子体光子学能源问题是未来社会发展的核心问题。太阳能作为一种可持续发展的清洁能源一直受到很大的关注。然而目前太阳能电池模块较低的能量转换效率使得大规模的应用还无法实现。金属纳米结构的引入可以通过光散射引起的光腔效应（图 a），局域等离子体激元效应（图 b）和表面等离子体激元效应（图 c）大大提高光转换效率。表面等离子体数据存储技术表面等离子体数据存储技术相关应用/表面等离子体光子学利用金属纳米颗粒对入射光波长和偏振态的敏感，我们可以通过在三维空间集成不同的金属颗粒，从而实现五维的数据存储（图7）。存储密度相对