表面等離子體激元研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

1、表面等離子體激元研究現(xiàn)狀及應(yīng)用黃增盛（桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）摘 要：表面等離子體激元（spps）是在金屬和介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ囊环N波動模式，本文主要討論了的一些基本特性，概述了現(xiàn)在階段主要的一些激發(fā)產(chǎn)生的方式。描述了在集成光通信上的應(yīng)用，比如基于表面等離子體激元的納米激光器、新型波導(dǎo)和spps耦合器等納米光子器件。分析了表面等離子體共振(spr)技術(shù)在生物及醫(yī)療領(lǐng)域的新應(yīng)用，并對其在治療癌癥方面的技術(shù)原理進行了討論。介紹了spps在新型光源和能源領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用情況，最后討論了spps在光存儲方面的快速發(fā)展。關(guān)鍵詞：表面等離子激元；表面等離子體共振；納米激光器t

2、he research situation and applications of surfaceplasmon polaritonshuang zeng-sheng(school of information and communication engineering, guilin university of electronic technology, guilin 541004, china)abstract:surface plasmon polaritons (spps) is in a wave pattern of dielectric and metal interface

3、communication, some basic properties are discussed in this paper, an overview of the main stage generated now some way. described in the application of integrated optical communication, such as nano lasers, novel waveguide and spps coupler base on the surface plasmon. analysis new technology applies

4、 of the surface plasmon resonance (spr) in biological and medical fields, and the principle of the technique in the treatment of cancer are discussed. introducing the spps development and application in the new field of energy source, and finally discussed the rapid development of spps in optical st

5、orage.key words: the surface plasmon polaritons; the surface plasmon resonance; the nano lasers 表面等離子體激元(surface plasmon polaritons, spps)是光和金屬表面的自由電子相互作用所引起的一種電磁波模式,或者說是在局域金屬表面的一種自由電子和光子相互作用形成的混合激發(fā)態(tài)。它既具有光子學(xué)的速度，又具有電子學(xué)的尺度，能夠在亞波長結(jié)構(gòu)中對光進行約束和操控，被喻為目前最有希望的納米集成光子器件的信息載體。目前，spps 光波導(dǎo)、亞波長孔徑的增強透過現(xiàn)象以及光控高速光開關(guān)從實驗

6、和理論上都得到了廣泛的論證。伴隨著納米科技的蓬勃發(fā)展，許多有趣的表面等離子體光學(xué)器件不斷向前推進，在各個領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。1 spps 的基本特性表面等離子體激元是指光子與金屬表面的自由電子相互作用而被俘獲，外來光子電磁場激發(fā)引起金屬中電荷密度漲落產(chǎn)生的電磁模式，它沿著金屬表面?zhèn)鞑?，是一種倏逝表面波，滿足麥克斯韋方程2。圖1 表面等離子體激元在金屬與介質(zhì)表面附近的電荷震蕩示意圖如圖1所示，在一個平坦的半無限金屬表面，假定金屬與介質(zhì)的界面位于yz面，x=0，而法線方向為x軸。入射光的磁場沿y軸方向入射到界面上，表面等離子體激元沿z軸方向傳播，x0的區(qū)域是真空或者其他介電材料，其介電常數(shù)

7、為1；x 0 的區(qū)域為金屬，其介電常數(shù)為2，金屬的介電常數(shù)的實部是負(fù)值，即 re(2)0。介質(zhì)(或真空) 和金屬中的電場分別為 e1和 e2，磁場分別為 h1和 h2，波矢分別為 k1和 k2，表面等離子體激元波矢為kspp，真空中的波矢為 k0，根據(jù)麥克斯韋方程，設(shè)定電磁場的形式如下:在x0 區(qū)域: （1） （2）有： （3）同理，在 x 0 區(qū)域: （4） （5） （6）利用電場的切向分量在邊界上連續(xù)有: （7）電場由麥克斯韋方程確定: （8）于是有，在 x =0 處， （9）由式(3) 、(6) 、(7) 、(9) ，消去 k1x和 k2x可得: （10） 注意到，金屬的20，|2+1|

8、2|，因此，ksppk0。介電材料中，k21x0，k1x為虛數(shù)；在金屬中，因為20，所以有 k22x=2，k20k2spp0。由此可以推斷出，表面等離子體激元在垂直金屬表面+x和x兩個方向上無論是穿透介質(zhì)(真空)還是金屬，都是以指數(shù)衰減，只能沿著表面?zhèn)鞑?。用表面等離子體激元的這種特性，制作一些金屬的納米結(jié)構(gòu)，可以使光子耦合成為表面等離子體激元，并限制在納米尺度的金屬表面，從而極大地壓縮電磁場在空間上的分布尺度。2 spps的激發(fā)和仿真方法 由于spps的波矢量大于光波的波矢量，或者說spps的動量與入射光子的動量不匹配，所以不可能直接用光波激發(fā)出表面等離子體波。為了激勵表面等離子體波,需要引

9、入一些特殊的結(jié)構(gòu)達(dá)到波矢匹配，常用的結(jié)構(gòu)有以下幾種：(1)采用棱鏡耦合，比較常用的有otto方式和kretschmann方式；(2)采用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；(3)采用衍射光柵耦合；(4)采用強聚焦光束；(5)采用近場激發(fā)。目前主要的仿真方法有以下3種：（1）時域有限差分法（finite difference time domain，fdtd）：fdtd 方法是把 maxwell 方程式在時間和空間領(lǐng)域上進行差分模擬，利用蛙跳式（leaf flog algorithm）空間領(lǐng)域內(nèi)的電場和磁場進行交替計算，電磁場的變化通過時間領(lǐng)域上更新來模仿。優(yōu)點是能夠直接模擬場的分布，精度比較高，是目前使用較多的數(shù)值模擬

10、方法之一。（2）嚴(yán)格耦合波法（rigorous coupled-wave analysis，rcwa）：該方法是分析光柵的有利工具，它是基于嚴(yán)格的矢量maxwell方程來分析。由于在很多的表面等離子的結(jié)構(gòu)中都會引入衍射光柵結(jié)構(gòu)，所以rcwa方法也被越來越多的學(xué)者用來分析相關(guān)的問題，并且取得了不錯的效果。（3）有限元法（finite element method，fem）：該方法是從變分原理出發(fā)，將定義域進行有限分割，離散成有限個單元集合。通過區(qū)域剖分和分偏差值，把二次泛函的極值問題化為普通多元二次函數(shù)的極值問題，后者等價于一組多元線性代數(shù)方程的求解。該方法分析的是一種近似結(jié)果，不過很多的問題能

11、近似模擬，目前應(yīng)用也比較廣泛。3 spps的應(yīng)用3.1表面等離子體激元納米激光器利用表面等離子體激元的特性，制作一些金屬的納米結(jié)構(gòu)，可以使光子耦合成為表面等離子體激元，并限制在納米尺度的金屬表面，從而極大地壓縮電磁場在空間上的分布尺度。述理論為實現(xiàn)納米激光器提供了理論基礎(chǔ)在基于表面等離子體激元的納米激光器中，增益介質(zhì)的作用依然提供光增益和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。電子空穴對( 激子) 被外界能量泵浦激發(fā)后，在激子能級躍遷的復(fù)合過程中，靠近金屬表面的電子躍遷更多地耦合成為表面等離子體激元，從而沿著金屬表面?zhèn)鞑?，而不形成光子，這就是黑暗模式( dark mode) 。黑暗模式沿著金屬與介質(zhì)的界面?zhèn)鬏敹鴽]有輻射損

12、耗，換言之，表面等離子體激元激光器產(chǎn)生相干強近場而不必輻射光子，不能通過遠(yuǎn)場方式觀測。由于該模式耦合成為表面等離子體激元的自發(fā)輻射，沒有向外界輻射光子，因此可以用來提供噪聲很小的光學(xué)放大和較大的損耗補償。通過打破納米結(jié)構(gòu)的對稱性可以使得表面等離子體激元從黑暗模式轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)光模式。表面等離子體激元在金屬納米結(jié)構(gòu)附近共振可以導(dǎo)致自發(fā)輻射增強，因此在集成納光子器件中有著重要的應(yīng)用。3.2表面等離子體光波導(dǎo)表面等離子激元能在導(dǎo)體和絕緣體的界面上傳播，而在垂直于表面的方向,其強度隨它離表面的距離呈指數(shù)減小。這些表面電磁波是由于電磁場與導(dǎo)體的電子等離子體禍合而產(chǎn)生的。由于一般介質(zhì)都有損耗，所以在界面上的傳播

13、距離是有限的，sp的傳播距離定義為當(dāng)模的功率/強度降到初始值的e-1時，sp沿表面?zhèn)鞑サ木嚯x：。銀是在可見光范圍內(nèi)損耗最小的金屬，即使這樣，算出的傳播長度在可見光范圍內(nèi)也只有10-100。在1.5的近紅外光帶傳播長度趨近于1mm。由于其傳播距離太短，所以在過去,表面等離子激元的傳播被認(rèn)為沒有什么利用價值。隨著科學(xué)技術(shù)的進步和納米技術(shù)的飛速發(fā)展，制作本身尺度小于表面等離子激元傳播長度的器件成為可能，表面等離子激元就有了用武之地。要利用表面等離子激元作為光波導(dǎo)，可以通過一定的亞波長結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。通過解一定邊界條件的maxwell方程，周期性的亞波長結(jié)構(gòu)對光的匯聚和引導(dǎo)作用可以被模擬出來，因而為設(shè)計這

14、種類型的光波導(dǎo)提供了幫助。在很多有條件的實驗室,已經(jīng)有很多可行的表面等離子激元光波導(dǎo)被制作出來。表面等離子體光波導(dǎo)的實現(xiàn)和應(yīng)用具有重要的意義。長遠(yuǎn)來說，它是實現(xiàn)全光回路(opticalcircuit)的基礎(chǔ)在此基礎(chǔ)上人們可以進一步研制集成于金屬表面的等離子體反射器、分波器、光開關(guān)和成束元件。3.3 spps 納米光刻技術(shù) 由于光學(xué)衍射極限的存在，傳統(tǒng)的光學(xué)刻寫方法無法刻出超衍射極限的精細(xì)結(jié)構(gòu)。盡管光投影刻蝕術(shù)（optical projection lithgraphy） 可以通過采用更短的波長光源來達(dá)到上述目的，然而也會引發(fā)一系列相關(guān)的問題：例如，要求研發(fā)新的光源，新的光敏層材料，相關(guān)的光子學(xué)

15、等等，這些問題都有待解決。目前，利用spps能夠在接近金屬表面產(chǎn)生一個很強的局域場，使問題有望得以解決。當(dāng)spps共振頻率落入一個光敏層的靈敏區(qū)時，金屬表面增強的光場能夠局域地增加直接放在掩膜下面的光敏層的曝光。此技術(shù)不受衍射極限的限制，可以采用寬光束的可見光來照明標(biāo)準(zhǔn)的光敏層，制作出亞波長尺寸的結(jié)構(gòu)。 2005 年，美國加州大學(xué)伯克利分校的zhang等利用基于表面等離子體原理進行納米光刻的實驗，在365 nm 波長照明光作用下實現(xiàn)了超衍射分辨力光刻，對單線條的分辨力達(dá)到 40 nm，對光柵線條的分辨力可達(dá) 60 nm。在該光刻實驗結(jié)構(gòu)中，掩模版、間隔層、薄ag 板和光刻膠做成一個整體，薄ag

16、板通過電子束蒸發(fā)淀積而成，間隔層則是通過多次刻蝕達(dá)到要求的厚度，實驗結(jié)構(gòu)如圖2所示。這一實驗的報道，極大地推動了 spps 在光刻技術(shù)中應(yīng)用的研究。（a） 立體結(jié)構(gòu) （b）側(cè)面結(jié)構(gòu)圖2.superlens結(jié)構(gòu)3.4 亞波長金屬狹縫透射的奇異增強與聚束效應(yīng)按照經(jīng)典的電磁理論，光通過亞波長金屬狹縫或圓孔時,其透射量將會很小，并透射量在角分布上沒有變化。但是如果在此亞波長縫隙周圍構(gòu)造出適當(dāng)?shù)闹芷谛詭缀谓Y(jié)構(gòu)，將會突破經(jīng)典限制而使得光通過亞波長孔、縫時的透射顯著增強這時表面等離子體激元通過光柵藕合被激發(fā)，當(dāng)穿過小孔或狹縫后，表面等離子體激元場的能量被散射到出射側(cè)的遠(yuǎn)場之中。在出射面被散射的消逝場將會形成

17、傳播場，在這里sps的近場增強特性對消逝場的衰減進行了補償，有效地提高了能量的傳輸效率在金屬薄膜足夠薄的時候,金屬上下表面的sps將會發(fā)生重疊并通過小孔發(fā)生相互作用。光柵藕合促成的波矢匹配條件將會使系統(tǒng)的透射譜t()出現(xiàn)一個特別的結(jié)構(gòu)：在表面等離子體激元被激發(fā)的波長處出現(xiàn)峰值。在這些波長處，t1成為可能)透過的光強高于該區(qū)域入射的光強。ebbesen和他的同事在1998年首次觀察到了這種奇異的透射增強現(xiàn)象，研究結(jié)果發(fā)表在nature上，如圖3所示。圖3.具有方形陣列圓孔銀膜的零級透射譜。圓孔直徑d=150nm，光柵常數(shù)=900nm，銀膜厚度t=200nm實驗結(jié)果表明：該結(jié)構(gòu)的透射光強不僅遠(yuǎn)高于

18、經(jīng)典衍射理論計算結(jié)果，而且大于按照小孔所占金屬表面的面積比的計算結(jié)果，這就意味著照在小孔之的光也能通過某種方式禍合到金屬膜的另一邊。2002年,ebbesen等人又在science上發(fā)表了利用周期性金屬微結(jié)構(gòu)控制出射光束質(zhì)量的實驗文章，實驗發(fā)現(xiàn)通過與表面等離子體激元的相互作用，能夠使出射光束局限在一個很小的角度之內(nèi)。3.5 spps 耦合器等離子體光子芯片具有輸出輸入端口，這些端口通過 spps 耦合器，可以避免將遠(yuǎn)場光直接耦合到spps 芯片中的納米光電子器件上。一個優(yōu)選的方案是將半球形狀的金屬納米顆粒與基于納米點的spps波導(dǎo)整合一起。當(dāng)聚焦的spps 饋送進耦合器中，傳播距離可達(dá)4.0m

19、。納米點也能夠用于聚焦spps，形成高近場強度和亞波長寬度的光斑。圖 4（a）所示為沿著51m半徑的1/4圓周排列的l9個200nm的通孔結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微圖。圖4（b）所示為相應(yīng)的近場掃描光學(xué)顯微像，可以看到，聚焦的spps沿著亞波長金屬波導(dǎo)傳播，傳播距離大約21m。（a）納米點聚焦陣列耦合到銀條窄波導(dǎo) （b）spps的強度分布圖4.納米點聚焦 spps3.6 spr 傳感器 利用表面等離子體共振（surface plasmon resonance，spr）現(xiàn)象研制光化學(xué)傳感器已引起人們的極大興趣，正成為傳感器領(lǐng)域的研究前沿。光纖 spr 傳感器在傳感機理上主要有兩類：一是利用倏逝場效應(yīng)，通

20、過腐蝕或研磨掉包層后在纖芯表面鍍金屬膜，或在錐形光纖表面鍍金屬膜；二是在纖芯內(nèi)寫入長周期光柵，將芯內(nèi)的模式在某一特定波長轉(zhuǎn)化成包層高階模，使高階模與等離子體實現(xiàn)相位匹配。表面等離子體共振(spr)技術(shù)由瑞典科學(xué)家liedberg于1983年首次用于igg抗體與其抗原相互作用的測定。隨后,該技術(shù)被引入生物傳感器領(lǐng)域并迅速滲透到基礎(chǔ)生命科學(xué)研究中。spr的優(yōu)點在于能夠?qū)崟r檢測生物分子結(jié)合反應(yīng)的全過程,不需要對分子進行標(biāo)記,而且耗樣最少。因此，spr技術(shù)發(fā)展非常迅速，已經(jīng)成為一種成熟的檢測生物分子間相互作用的方法,并發(fā)展出spr生物傳感器檢測方法。另外，表面等離子體激元共振還可以用于藥物/蛋白相互作

21、用和dna放大檢測,該技術(shù)以其快速、高靈敏度的特性被廣泛地應(yīng)用到生物分子機制的研究中,包括蛋白相互作用、抗原/抗體作用、配體/受體相互作用等等。此外，藥物篩選及鑒定也是近來spr技術(shù)應(yīng)用的另外一個熱點。當(dāng)發(fā)生共振時反射光能量急劇下降,在反射光譜上出現(xiàn)共振峰，即反射率出現(xiàn)最小值。spr對附著在金屬薄膜表面的介質(zhì)折射率非常敏感，當(dāng)表面介質(zhì)的屬性改變或者附著量改變等引起折射率變化時,共振角將不同，在光譜上表現(xiàn)出紅移和藍(lán)移現(xiàn)象。因此，spr譜(共振角對時間的變化)能夠反映與金屬膜表面接觸的體系的變化，其對物質(zhì)的檢測精度甚至達(dá)到了納克(10-9g)水平。影響spr的因素包括：金屬膜表面介質(zhì)的光學(xué)特性、厚

22、度、入射光的入射角、波長和偏振狀態(tài)等。 光在納米尺度的特殊能力能應(yīng)用到小生物分子精密探測、高分辨率顯微鏡以及更加有效的癌癥治療方案。最近已提出了這一新的癌癥治療方案，利用等離子體激元的共振效應(yīng)來摧毀癌細(xì)胞，如圖5所示。rice大學(xué)的naomihalas和peternordlander等人正在研究這項新技術(shù)。首先將直徑大約100nm的硅納米球的表面包裹10 nm厚的金薄膜，并將這種納米小球注射入血液，納米球會自動嵌入到快速生長的腫瘤內(nèi)，如果用近紅外激光束照射癌細(xì)胞區(qū)域，那么激光能夠穿透皮膚并誘導(dǎo)電子在納米球內(nèi)共振。由于殼內(nèi)表面和外表面場的耦合相互作用，微粒吸收能量，使得局域溫度得到大幅度升高，最

23、終加熱并殺死癌細(xì)胞,而且不損害周圍的健康組織。目前,美國食品及藥物管理局已批準(zhǔn)位于休斯頓的納米光譜生物科學(xué)公司(nanospectra biosciences inc.)利用這種方法開始臨床治療試驗。如果這種方案最終被證實對人體可行的話,將給廣大的癌癥患者帶來福音,同時有效地保障世人的身體健康。圖5.利用金納米球新技術(shù)治療癌癥3.7 新型光源和能源spps所引發(fā)的電磁場不僅僅能夠限制光波在亞波長尺寸結(jié)構(gòu)中傳播，而且能夠產(chǎn)生和操控不同波段的電磁輻射。k.okamoto等人利用時間分辨光致發(fā)光光譜法(time-resolved photo-luminescence spectroscopy)在44

24、0 nm處得到了增強了32的自發(fā)輻射率，這將催生出新型的超亮度和高速運作的leds。2008年，koller等人介紹了一種源于spps的有機發(fā)光二極管的電開關(guān)表面等離子體源，這種電源可提供自由傳播的表面等離子體波，并對有機集成光子回路和光電傳感有著潛在的應(yīng)用價值，他們的實驗證實了表面等離子體的受控耦合和有機原料中的激子能對改良的有機發(fā)光二極管和有機光電裝置的制作提供幫助。walters等人也展示了一種利用spps的硅基電源，這種電源是利用和后端cmos技術(shù)相兼容的低溫微觀技術(shù)制成的。表面等離子體波在太陽能電池和led等新型能源相關(guān)器件方面也有重要應(yīng)用。人們已經(jīng)意識到基于納米技術(shù)的太陽能光電轉(zhuǎn)換

25、器件及其材料與傳統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換器件和材料相比具有獨特的優(yōu)勢。納米材料的光電性質(zhì)、機械性能均可通過改變顆粒的尺寸來實現(xiàn)。目前已實現(xiàn)在太陽能電池上利用表面等離子體效應(yīng)來提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率,同樣也可以在led上應(yīng)用表面等離子體效應(yīng)提高其出光效率。2004年，p.andrew等人利用金屬膜與介質(zhì)表面產(chǎn)生的表面等離子體共振效應(yīng)實現(xiàn)了分子間的長距離能量傳輸，證實了在亞波長結(jié)構(gòu)尺度范圍內(nèi)操控光能傳輸?shù)目尚行?。這一想法于2007年被t.d.heidel等人。太陽能電池與金納米粒子薄膜結(jié)合，能比傳統(tǒng)太陽能電池更有效地吸收太陽能，因此，能在不降低光電轉(zhuǎn)換效率的基礎(chǔ)上將太陽能電池能做得更薄、更加便宜。200

26、8年，k. r.catchpole等人展示了將表面等離子體用于光伏電池的實驗，其光電流強度有了較大增強,實驗揭示了金屬納米顆粒的使用可使射入的陽光更加分散，從而使更多的光線進入光伏電池；其次，不同大小和種類的微?？梢杂脕砀倪M陷光效果。3.8 光存儲隨著信息產(chǎn)業(yè)的不斷進步,對數(shù)據(jù)存儲和傳輸能力的需求也越來越高。傳統(tǒng)技術(shù)在這方面逐漸表現(xiàn)出其局限性，而spr技術(shù)卻嶄露頭角。2009年，peter zijlstra等人利用金納米棒獨特的縱向spr性質(zhì)介紹了五維光學(xué)存儲技術(shù)，如圖6所示。他們采用該方案在同一個物理地址利用3種顏色和2個偏振方向來刻寫數(shù)據(jù),其光盤存儲容量能達(dá)到712 tb，如果使用高重復(fù)頻

27、率激光源的話,存儲速度能高達(dá)1gbit/s?？v向spr表現(xiàn)出了良好的波長和偏振靈敏度，然而其能量閾值卻需要光熱存儲機制來保證其軸向選擇性。利用雙光子發(fā)光結(jié)合縱向spr可以檢測到存儲信息，對比于傳統(tǒng)的線性檢測機制，這種檢測方法擁有增強的波長和角度選擇性，能夠做到無損壞、無串話讀取。該技術(shù)成功地突破了光學(xué)衍射極限，將光盤數(shù)據(jù)存儲量提升了幾個數(shù)量級，對光存儲領(lǐng)域意義重大。研究表明，利用金納米粒子技術(shù)能將1張光盤的數(shù)據(jù)存儲增加10 000。圖6.五維等離子體存儲技術(shù)示意圖，利用光的不同顏色和偏振來標(biāo)記數(shù)據(jù)單元 2009年7月，m.mansuripur等人也介紹了一種利用納米粒子和納米結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)高密度數(shù)據(jù)存儲的新方法34，初步實驗證實這種等離子體納米結(jié)構(gòu)在高密度光學(xué)數(shù)據(jù)存儲方面具有潛在應(yīng)用價值。另外，2010年5月，tg daily報導(dǎo)日本一個研究小組研發(fā)出了一種可用來制造容量為25 tb低價超級硬盤的物質(zhì)。這種鈦氧化物可以隨著光的變化而改變顏色，能夠在存儲設(shè)備中得以應(yīng)用。4 結(jié)束語表面等離子體激元是一個很有趣的現(xiàn)象，目前有許多值得研究的方向，也有許多激動人心的結(jié)果。不難看出，隨著納米技術(shù)的發(fā)展,將會有越來越多的表面等離子體激元器件進入市場。負(fù)折射率介質(zhì)是當(dāng)前國際研究的熱點問題，研究發(fā)現(xiàn)，這種特殊物質(zhì)的一些奇特性質(zhì)可以利用金屬材