局域表面等离子体研究进展

［收稿日期］2010－10－20

［基金项目］重庆市教委科学技术资助项目（KJ101203）；重庆市科委自然科学基金计划资助项目（CSTC ，2010BB2352）．［作者简介］赵华君（1974－），男，重庆永川人，副教授，硕士生导师，主要从事信息光电子器件与微纳光子技术的研究．

2011年4月重庆文理学院学报（自然科学版）

Apr.，2011第30卷第2期Journal of Chongqing University of Arts and Sciences （Natural Science Edition ）Vol.30No.2

局域表面等离子体研究进展

赵华君，程正富，石东平，张

东

（重庆文理学院电子电气工程学院，重庆

永川402160）

［摘

要］阐述了局域表面等离子体特性，金属纳米粒子的常用制备方法，以及不同形状、尺寸

等因素对局域表面等离子体光谱和灵敏度的影响，分析了表面增强拉曼散射的增强因子与金

属纳米粒子的等离子共振波长和拉曼激发波长之间的关系，介绍了局域表面等离子体在生物传感方面的应用．

［关键词］局域表面等离子体；金属纳米粒子；拉曼散射；传感［中图分类号］O614［文献标志码］A ［文章编号］1673－8012（2011）02－0031－06自1998年Ebbesen 等人先后发现透过金属

膜的纳米孔［1］、纳米狭缝及其阵列［2－3］

具有增强透射现象以来，

表面等离子体（Surface polaritons ，SPs ）及其应用成为近年来光学领域的研究热点之一［4］

．研究表明，

SPs 是由入射光激发金属表面自由电子集体振荡而产生的一种表面波［5］

，而入射光光子与纳米金属结构中的自由电子耦合匹配，形成表面等离子体共振（Surface plasmon resonance ，SPR ）和局域表面等离子体共振（Lo-calized surface plasmon resonance ，LSPR ）．目前，围绕SPs 的相关物理机理及应用展开了大量的研究，形成了SPs 亚波长光学．该领域主要研究亚波长尺度光与物质相互作用机理及相关特性，

取得了大量的研究成果，SPs 将在传感、全光开关、

光子集成电路、微细加工、超分辨成像、隐身斗篷等方面应用前景广阔［6］

．

1局域表面等离子体特性

SPs 存在两种形式：一种是在连续金属膜表面传播传导型的SPs ，另一种局限于纳米粒子表面，称为局域表面等离子体（Localized surface po-laritons ，LSPs ）．SPs 和LSPs 都具有表面局域特性．因为各自色散关系的不同，

决定了它们是两种完全不同的激发态．SPs 的色散是一种传播模式，具有一维空间局域性．LSPs 局域在各种不同

形貌的曲面上，其色散关系一般和介质形貌密切

相关，是一种非传播模式，具有两维的空间局域性．

贵金属如金和银等，其介电常数在可见光的波段具有负的实部，虚部较小且是正数．这种条

件能够支持SPR ［7］

．图1是激发产生表面等离子

体示意图，

由图1（a ）．可以看出，SPs 的色散曲线位于光波色散曲线的右侧，即SPs 的波矢大于同

频率自由空间中的光波矢，因此，当光波直接由空气入射到平滑金属表面时，并不能激发SPs．为了使SPs 波与外部的光波耦合，必须采用适当的方法，改变SPs 的色散曲线与光波色散曲线的相对位置，使SPs 的色散曲线向左移动，或使光波色散曲线向右移动，即两者有共同的频率和波数，进而产生共振，并激发产生SPs．SPs 共振激发时的波矢关系表示为

k sp =

c ε1ε2（ε1+ε2槡

）．

（1）

其中，ε1是金属的介电常数，ε2是和它相邻电介

质的介电常数．ω是入射光频率，

c 是真空中的光速．图1（b ）为SPs 共振激发时金属－介质界面

处的场分布［1］

．传导型SPs 沿金属电解质界面的x 和y 方向可传播数十或数百微米，而在z 方向逐渐衰减，1/e 衰减长度约为200nm ，如图1（c ）所示．对于LSPs ，光与尺寸远远小于入射光波长的

粒子相互作用．这使纳米粒子周围的电子以LSPs共振频率局域振荡［8］，如图1（d）所示．粒子的曲面向受到驱动的电子施加有效的恢复力，因而能够产生共振，此时粒子内部和粒子外的近场区域场强都将得到增强，这种共振就是所谓的LSPR．粒子曲面的另外一个影响就是LSPs可以直接用光照激发，而不像传播SPs那样要通过相位匹配技术激发

．

图1激发产生SPs示意图：（a）半无限大金属－电介质界面处SPs的色散关系；（b）SPs着金属－电解质界面传播；

（c）半无限大金属－电介质界面的SPs传输及电磁场分布；（d）LSPs振荡

如果波长为λ的偏振光入射在半径为a的

均匀、各向同性的金属球形纳米粒子上，其中a

远小于入射光的波长λ，即a/λ＜0．1，同时假设

金属球形纳米粒子周围介质也是各向同性且非

吸收的．此时纳米粒子周围的电场呈现静态特

性，可利用准静态近似求解Maxwell方程得到，

即：

E out （x，y，z）=E

^z－ε－εm

ε+2ε

()

a3E

－

（x^x+y^y+z^z

[]）．

（2）

其中，ε是纳米粒子的介电常数，εm是周围介质的介电常数．由于ε强烈依赖波长，第一个括号中的项决定粒子的共振条件．当满足条件ε=－2ε

时，电场相对于入射电场E0有了增强．对于金和银，共振条件在可见光范围内得到了满足，这对于表面增强光谱有着非常重要的意义．金属小球的局域表面等离子体频率可表示为［9］

Re（ω

LSP

）

εm +

l+1

=0．（3）

其中，l是LSPs的角动量．对于满足静电场近似的小球l=1，即以偶极子激发为主．但是，随着小球半径的增大，多极子相互作用变得愈发重要，最终在极限情况下即l=?时，LSPs的频率逐渐靠近光滑无限大平面的SPs的频率．模拟计算金属微粒的LSPs特性比较常用的数值计算方法包括离散偶极近似（DDA）［8，10］和有限差分时域（FDTD）［11］等．计算时粒子被视为N个极化元，其中每个都能与外加电场相互作用．在DDA 算法中，这种相互作用在频域模拟；而在FDTD 算法中，这种相互作用在时域．两种方法都能计算任意形状和尺寸的粒子的消光光谱，且与实验结果吻合较好．

除采用数值模拟，也有部分解析方程用于描述LSPs特性，如频移特性和光谱特性．若局域环境改变，如出现了一种新的吸附物体，将会导致LSPs共振波长移动，偏移量表示为［12］：

Δλmax=mΔn［1－exp（－2d/l d）］．（4）其中，m为纳米粒子的体折射率响应；Δn是由吸附物体导致的折射率改变；d为有效吸附层的厚度，l d是电磁场衰减的特征长度（近似指数衰减）．可见，LSPs消光波长对周围介质的电常数非常敏感．

2金属纳米粒子的制备方法

目前，已发展了多种方法用来合成不同形状

和尺寸的金属纳米粒子，包括模板法、晶种法、电化学法、光化学法以及真空沉积法、电分散法等［13］．其中，化学合成法是制备大量粒子的一种重要方法，通过改变反应条件和稳定剂用量人们已经合成了各种形状的粒子，包括球形、棒状、三角形、立方体、棱镜形、四面体、双棱锥形和星形等［14－15］．利用晶种法合成的金纳米棒的TEM形貌图如图2（a）所示，其消光谱如图2（b）所示

．

图2金纳米棒及特性：（a）TEM形貌；（b）

消光谱

图3平板纳米球印刷术制备三角形

银纳米粒子阵列示意图

平版印刷技术能够实现制作各种特殊形状、位置和取向的周期性的纳米粒子阵列，其中一个重要的形式就是纳米球平板印刷术［16］．这是产生周期性阵列结构纳米粒子的一种非常经济和便捷的方法．这种方法的基本过程是：将聚合物纳米球滴覆在基底上，并形成密排的六边形阵列．以此为掩模沉积约为15 100nm金属，再将纳米球掩模清洗掉，只剩下三角形的纳米粒子阵列，如图3所示．LSPs的共振波长可以方便地通过改变掩模上的纳米球直径或者改变沉积金属的厚度来调节．电子束平版印刷术是另外一种平版印刷技术，尽管比较耗时且成本高，但其优点是能够制备任意尺寸、形状及空间分布的纳米粒子．研究人员利用电子束将沉积的掩模直接写入聚合物薄膜，然后通过掩模来沉积金属再将薄膜清洗掉，留下所需的形状．纳米球平版印刷术制备的三角形纳米粒子制作在氧化铟锡基底上，并且易于用多重计时库仑分析法来处理，如图4所示．这种方法的特殊优势就是可以对三角形的纳米粒子进行选择性氧化，这样使LSPs共振与粒子的形貌变化直接关联．因而，对于以可控的方式来改变纳米球平版印刷术制备的纳米粒子，电化学氧化不失为一种独特的手段．另外一种方法是用电化学手段来氧化纳米粒子［17］，再对其表面结构进行修饰

．

图4银纳米粒子的LSPs光谱

单纳米粒子具有独特的光谱性质．例如，一个边长为30nm的立方体纳米粒子放置在一个电解质基底之上，LSPs光谱有一个宽的红移峰．这在溶液里也同样会出现，还有一个蓝移峰会出现，这是由于粒子与电解质基底的相互作用产生的．放置在电解质基底上的纳米粒子产生一个新的共振峰，必须满足纳米粒子的近场在极区必须足够强，同时比趋肤深度厚．由于其峰宽较窄，这个新的共振峰的折射率灵敏度会更高，这可以通过体折射率的灵敏度除以峰的半高全宽来定义．因而，这种新的立方结构对于未来的LSPs传感可能有一定的价值．为了深入分析纳米粒子的结构对电磁场衰减长度等相关性质的影响，研究人员通过测量LSPs波长移动与纳米球平版印刷术制得的三角形纳米粒子［18］，利用自组装的单层或多层烷醇分别来探测近场以远场对距离的依赖关系．

3LSPs的光谱特性

随着表面增强拉曼散射（SERS）的发现，LSPs更是引起了人们的极大关注．由于电磁场增强要求入射光耦合到金属表面，人们开展了大量的理论和实验工作来认识表面等离子体．研究人员还提出了化学和电磁场增强的竞争机制来

解释在粗糙的金属基底上观察到的拉曼增强效应［19－20］．这些研究为局域结构和周围环境是如何影响等离子体提供了一个基本的解释，同时也指出了等离子体作为传感器性质的价值．如今，等离子体光谱作为探测生物和化学分子的一种超灵敏的方法得到了认可，并且进一步应用在表面增强光谱学之中，包括了SERS、表面超拉曼散射、表面增强红外光谱、二次谐波产生以及表面增强荧光等［21－22］

．

图5测量纳米粒子阵列LSPs共振光谱的方法：（a）透射谱；（b）反射谱；（c）单纳米粒子的散射谱

影响LSPs光谱的因素很多，如纳米粒子的形状、尺寸、位置以及距离等．对LSPs光谱的基本研究有助于我们对影响这些基底材料LSPs波长以及表面增强因子的因素的认识，这对于设计选择传感器材料是至关重要的．图5给出了几种测量LSPs共振光谱的方法［23］，其中最直接的方法是测量紫外可见光透过谱，如图5（a）所示．通过记录透过样品光对波长的依赖关系测得纳米粒子的消光谱，包括吸收谱和散射谱．对于非透明的样品，必须测量反射谱，如图5（b）所示．透射图形在消光曲线上产生的LSPs波长是最大值，而反射图形的LSPs波长则是最小值．要测量小区域内甚至是单个纳米粒子，暗场光散射方法极其有效．在这种情况下，白光以大角度入射到样品上，散射光以小角度收集，如图5（c）所示．高数值孔径的聚光镜将光射到样品之上，低数值孔径的显微镜物镜以小角度收集散射光，这也可以通过暗场显微镜物镜来完成．两种情况下，散射光被传到分光计和探测器，从而产生样品的LSPs光谱．

为了研究电子共振分子对于纳米粒子的等离子体共振位置及线形的关系，人们在关注分子吸附导致的LSPs峰的移动，分子的吸收谱与纳米粒子的等离子体共振处在相同的能量区域．一般认为金属基底的LSPs波长应该与SERS激发波长相等，但对两者的关系目前还没有系统的研究．最近的研究表明，测得的拉曼增强因子既是LSPs共振波长的函数，又是拉曼激发波长的函数［20］．这些研究进一步认清了这种关系．早期的研究中，研究人员以固定波长的激光作为激发光，测得拉曼增强因子作为LSPs谱位置的函数［22］．更为普遍的方法是利用纳米球平版印刷术制备的具有固定的LSPs波长的纳米粒子阵列并且用可调激光器来扫描激发波长．通过在475 800nm之间改变激发波长来监测苯硫醇在1081cm－1处的增强因子．激发光谱也显示了当激发波长短于LSPs波长时，增强因子达到最大．通过对不同的振动谱带的重复测量，可以看到一个明显的趋势：对于高能量的拉曼跃迁，激发光谱和LSPs光谱之间的移动也移到高能量的区域．这是由于为了达到最大的增强因子，LSPs 应该处在激发光和拉曼电磁场的中间能量区域，由于拉曼跃迁移到高能量的区域，激发光和拉曼散射光之间的间隙展宽了，LSPs最大值也必须移动以保持在两者的中间部分．这与电磁场增强机制是一致的，同时也是波长扫描SERS实验的一个重要的结果．而且，这些实验也阐明了通过优化等离子体波长和激发波长来达到最大的SERS增强因子的重要性．尽管到目前为止，所有实验上测量到的增强因子的最高值为108，但引入高结晶的单纳米粒子并且通过特殊的、有限个纳米粒子的组合，将可能达到更高的增强因子．

4LSPs在生物传感中的应用

LSPs对周围的局域介电环境的变化很敏感，研究人员通过LSPs波长移动来测量局域环境的变化．当然也有通过各种角度扫描来传感LSPR装置．两种光谱都能够为连接过程提供热

力学和实时的动力学数据．尽管SPR光谱对于体材料折射率变化的灵敏度要高于LSPs光谱，但其对分子吸附层引起折射率在小范围内的变化的灵敏度接近．这是由于LSPs传感器具有更小的传感体积，电磁场衰减长度要比SPR传感器短40 50倍．由于制备方法和平板印刷术发展，研究人员通过改变纳米粒子的尺寸、形状、材料等调节LSPR光谱从可见光、近红外和红外等电磁波谱．这为设计LSPs传感实验提供了更大的便利．

波长移动测量是最常用的LSPs传感方法，LSPs消光曲线上的最大值（或最小值）的改变量是吸附分子导致的局域介电环境变化的函数．而两个等离子体纳米粒子之间的耦合同样会导致波长最大值发生移动．研究人员利用上述纳米球平板印刷术制备的三角形纳米粒子对此进行了证明．粒子之间是通过烷烃醇来耦合的，最近也有利用具有可变长度的双绞型DNA连接的金球来耦合的．这种对于局域环境的灵敏度可以扩展到对于生物分子的传感，如蛋白质和抗体．其原理最初是通过链霉抗生素蛋白或者抗生素连接到被维生素H官能化的纳米粒子阵列的最大波长移动来证明．目前可以将接近电子共振的LSPs光谱用于生物和化学传感器［25］．增强基底的LSPs波长与拉曼激发光和散射光之间的波长匹配相当重要．除了捕获层对于目标分析物能提供高亲和力的结合部位之外，分割层对于实时、量化测量一些分子，如葡萄糖，也是至关重要的，SERS为制造这样的设备提供了一种途径．

5结论

本文阐述了局域表面等离子体的特性，金属纳米粒子的几种常用制备方法以及不同形状、尺寸等因素对局域表面等离子体共振光谱和灵敏度的影响，分析了表面增强拉曼散射的增强因子与金属纳米粒子的等离子共振波长和拉曼激发波长之间的关系，简单介绍了局域表面等离子体共振在生物传感方面的应用．

［参考文献］

［1］Ebbesen T W，Lezec H J，Ghaemi H F，et al．Extraor-dinary transmission through sub－wavelength hole arrays ［J］．Nature，1998，391（6668）：667－669．

［2］Lezec H J，Degiron A，Linke R A，et al．Beaming light

from a subwavelength aperture［J］．Science，2002，297（5582）：820－822．

［3］Barnes W L，Dereux A，Ebbesen T．Surface plasmon subwavelength optics［J］．Nature，2003，424（6950）：

824－830．

［4］Genet C，Ebbesen T W．Light in tiny holes［J］．Na-ture，2007，445（7123）：39－46．

［5］Cui Y X，He S L．Enhancing extraordinary transmis-sion of light through a metallic nanoslit with a nanocavity antenna［J］．Optics Express，2009，17（19）：13995－

14000．

［6］Haes A J，Zou S，Schatz G C，et al．A nanoscale opti-cal biosensor：the long range distance dependence of the localized surface plasmon resonance of noble metal nan-oparticles［J］．J．Phys．Chem．B，2004，108（1）：

109－116．

［7］Sherry L，Chang S，Schatz，et al．Localized surface plasmon resonance spectroscopy of single silver nanocubes［J］．Nano Letters，2005，5（10）：2034－

2038．

［8］Kelly L K，Coronado E，Zhao L L，et al．The optical properties of metal nanoparticles：the influence of size，shape，and dielectric environment［J］．Journal of Phys-ical Chemistry B，2003，107（3）：668–677．

［9］Mie G．Beitrage fur Optik truber medien，speziell kol-loidaler metall sungen［J］．Ann．Phys．，1908，25：377

－445．

［10］Bruce T Draine，Piotr J Flatau．Discrete－dipole ap-proximation for scattering calculations［J］．J．Opt．

Soc．Am．A，1994，11（4）：1491－1499．

［11］Novotny L，Pohl D W，Hecht B．Scanning near－field optical probe with ultrasmall spot size［J］．Opt．Lett，1995，20（9）：970－972．

［12］Kawata S．Near－field optical and surface plasmon po-laritons［M］．Berlin：Springer，2001．

［13］Hu J Q，Chen Q，Xie Z X，et al．A simple and effec-tive route for the synthesis of crystalline silver nanorods

and nanowires［J］．Adv．Funct．Mater，2004，14：183

－189．

［14］Wiley B J，Chen Y，Mclellan，et al．Synthesis and optical properties of silver nanobars and nanorice［J］．

Nano Lett，2007，7（4）：1032–1036．

［15］Chang S S，Shih C W，Chen C D，et al．The shape transition of gold nanorods［J］．Langmuir1999，15

（3）：701–709．

［16］Hulteen J C，Van Duyne R P．Nanosphere lithogra-phy：a materials general fabrication process for period-

ic particle array surfaces［J］．J．Vacuum Scl．Techn-

ol．A，1995，13：1553－1558．

［17］Kim J S，Kuk E．Antimicrobial effects of silver nanop-articles［J］．Nanomedicine，2007，3（1）：95–101．［18］何俊鹏，章岳光，沈伟东，等．原子层沉积技术及其在光学薄膜中的应用［J］．真空科学与技术学报，2009，29（2）：173－179．

［19］Link S，El－Sayed M A．Relaxation dynamics of sur-face plasmon electronic oscillations in gold and silver

nanodots and nanorods［J］．J．Phys．Chem．B，1999，103（40）：8410－8426．

［20］Zynio S A，Samoylov A V，Surovtseva E R，et al．Bi-metallic layers increase sensitivity of affinity sensors

based on surface plasmon resonance sensors［J］．Sen-

sors，2002，2（2）：62－70．

［21］Zayats A．Electromagnetic field enhancement in the context of apertureless near－field microscopy［J］．

Opt．Commun．，1999，161：156－162．

［22］Mills D L．Theory of STM－induced enhancement of dynamic dipole moments on crystal surfaces［J］．

Phys．Rev．B，2002，65：125419．

［23］Willets K A，Van Duyne R P．Localized surface plas-mon resonance spectroscopy and sensing［J］．Annual

Review of Physical Chemistry，2007，58：267－297．［24］Chang J Y，Wu H，Chen H，et al．Oriented assembly of Au nanorods using biorecognition system［J］．

Chem．Comm．，2005，8：1092－1094．

［25］Haes A J，Van Duyne R P．A nanoscale optical bio-sensor：sensitivity and selectivity of an approach based

on the localized surface plasmon resonance spectrosco-py of triangular silver nanoparticles［J］．J．Am．

Chem．Soc．，2002，124（35）：10596－10604．

Recent development in the plasmons of localized surface

ZHAO Hua－jun，CHENG Zheng－fu，SHI Dong－ping，ZHANG Dong （Department of Electronic and Electrical Engineering，Chongqing University of Arts and Sciences，Yongchuan Chongqing402160，China）Abstract：In this article，the characteristics of localized surface plasmons（LSPs）are reviewed．The differ-ences between localized surface plasmon and surface plasmon are discussed．The effect of shape and size of metallic nanoparticles of metallic nanoparticles on the LSPs spectroscopy and sensitivity is illustrated emphat-ically．Besides，the relationship between enhancement factor of surface－enhanced Raman scattering and plasmon resonance wavelength is analyzed．Furthermore，some applications of the LSPs in biological sensor are introduced．

Key words：localized surface plasmons；metallic nanoparticles；Raman scattering；sensor

（责任编辑吴强）

第12讲_局域表面等离子体

第12讲:等离子体(IV)——局域表面等离子体课本: S.Maier,Plasmonics:Fundamentals and Applications ,Chap.5 董国艳中国科学院大学材料科学与光电技术学院纳米光学 (Nano-Optics) 研究生课程 2 课前思考: ?? 金子小颗粒(nm-size)是什么颜色的?为什么它们会成像不同的颜色?

3 1.金属纳米粒子的局域表面等离子体(Localized surface plasmons LSPs ） ????偶极辐射的回顾 LSP 的纳米粒子（准静态近似） LSPR 的大小和形状依赖性（Mie 理论）LSP 的纳米棒（Gans 理论） 3. LSP 粒子之间的耦合 4.LSP 的复杂的纳米结构–球壳 5. 体积等离子体，SPP 和LSP 的比较本讲内容 2. LSP 的共振条件 ? LSP同SPP 的差异 ? 金属纳米粒子的色彩效果? 各种金属纳米粒子 4 1.金属纳米粒子的LSP ?SPPs :在金属-电介质延展界面上的SP 传输(光子耦合为SP).+ -+ k ?LSPs (localized surface plasmons 局域表面等离子体):在金属纳米粒子/纳米空腔的封闭表面上不传播的SPs ?LSP 的激发将影响透过纳米粒子的光的消光比(= 吸收+散射) →色彩效果 extinction:消光比，absorption:吸收，scattering:散射 LSP 被约束在粒子上

5 金属粒子的色彩效应过去: 不同的形状&大小→不同的色彩 Au colloids in water (M.Faraday ~1856) Lycurgus Cup 教堂窗户上的彩色玻璃今天(出于同样原理): colloid:胶体，stained glass:彩色玻璃聚焦和传导光到纳米粒子上金属纳米粒子胶体 6 Nano-shell Nano-prism Nano-pentagon Nano-rod Various metal nanoparticles Simplest to analyze Nano-sphere shell:空壳，rod:棒，sphere:球，pentagon:五边形

低温等离子体表面处理技术

Plasma and first wall Introduction Today I will talk about something about my study on the first wall in the tokamak. Firstly, I will show you that what the plasma is in our life thought the following pictures such as: Fig.1 Lighning Fig.2 Aurora Fig.3 Astrospace Just as the pictures mentioned above , they are all consist of plasma. But, what does have in the plasma, now our scientist had given a definition that the plasma state is often referred to as the fourth state of matter and contains enough free charged particles（negative ions 、positive ions）and electronics. Like the photo below. Fig.4 Plasma production Plasma production In our research, we produce the plasma through an ICP (inductively coupled plasma)

外国等离子体技术公司

英国Tetronics公司使用中间包加热装置的直接优点如下: (1).由于过热度低，通过回收冷包装料提高了收得率； (2).由于降低了钢水熔炼的过热度，节约了成本； (3).改善了大包和熔炼炉耐火材料的使用寿命，降低了出钢温度； (4).中间包的钢水温度控制精确，可生产洁净、质量稳定、细质等轴晶粒组织的优质钢。英国TETRONICS公司是国际上一家知名的专营中间包加热装置的公司。过去的中间包加热装置是一种常用的单极火焰喷嘴，这种方式的装置，电极必须浸入在钢水中，以提供电弧电流的输出通道。这种系统需要整改中间包和中间包小车。现在，取而代之，TETRONICS 公司使用了一种双火焰喷嘴加热装置。这种双火焰喷嘴加热装置，是一对正、负电极火焰喷嘴，它们位于中间包钢水熔池的上方，双火焰喷嘴提供电弧电流的输入和输出通道，不需要对中间包做任何大的整改。这种双火焰喷嘴加热装置的紧凑型设计还减少了热损失，加快了电能到热能的转换。该装置的投资成本收回周期为6个月。

美国Retech公司 https://www.360docs.net/doc/654227132.html,.tw/1_file/moeaidb/012844/2004071308.pdf Retech公司開發之專利技術PACT處理系統係利用傳輸型電弧電漿火炬（Transferred Arc Plasma Torch）產生1,400到1,700℃之高溫，直接加熱一定量之金屬及其氧化物以形成slag bath 。此一高溫slag bath則保留在轉速為10到50 rpm之離心式爐體內，作為熔融處理之liquid bath, 在爐內負壓之環境下，進一步處理其他有害事業廢棄物。 PACT處理系統爐體之設計運用採電漿火炬離心式運轉，而非固定爐床式。其相關之週邊系統設備，如進料系統、能源回收系統、空氣污染防治系統均與一般焚化系統並無太大差異，其處理系統流程如圖所示。 PACT處理系統流程圖

表面等离子体共振原理及其化学应用

表面等离子体共振原理及其应用李智豪 1.表面等离子体共振的物理学原理人们对金属介质中等离子体激元的研究, 已经有50多年的历史。1957年Ritchie发现, 高能电子束穿透金属介质时, 能够激发出金属自由电子在正离子背景中的量子化振荡运动, 这就是等离子体激元。后来,人们发现金属薄膜在入射光波照射下, 当满足特定的条件时, 能够激发出表面等离子体激元, 这是一种光和自由电子紧密结合的局域化表面态电磁运动模式。由于金属材料的吸收性质,光波沿金属表面传播时将不断被吸收而逐渐衰减, 入射光波的能量大部分都损耗掉了, 造成反射光的能量为最小值, 这样就把反射光谱的极小值与金属薄膜的表面等离子体共振联系了起来。 1.1 基本原理[1] 光与金属物质的相互作用主要是来自于光波随时间与空间作周期性变化的电场与磁场对金属物质中的电荷所产生的影响,导致电荷密度在空间分布中的变化以及能级跃迁与极化等效应,这些效应所产生的电磁场与外来光波的电磁场耦合在一起后,表达出各种不同光学现象。等离子体是描述由熔融状态的带电离子所构成的系统,由于金属的自由电子可当作高密度的电子流体被限制于金属块材的体积范围之内,因此亦可类似地将金属视为一种等离子体系统。当电磁波在金属中传播时,自由电子会随着电场的驱动而振荡,在适当条件下,金属中传播之电磁波其电场振荡可分成两种彼此独立的模态,其中包含电场或电子振荡方向凡垂直于电磁波相速度方向的横波模态,以及电场或电子振荡方向凡平行波的传播方向纵波模态。对于纵波模态,自由电子将会沿着电场方向产生纵向振荡的集体运动,造成自由电子密度的空间分布会随时间之变化形成一种纵波形式之振荡,这种集体运动即为金属中自由电子之体积等离子体振荡。金属复介电常数的实部相对其虚部来说,往往是一个较大的负数,金属的这种光学性质,使金属和介质的界面处可传输表面等离子波,使夹于两介质中间的金属薄膜可传输长程表面等离子波。这两类表面波具有不同于光导波的独特性质,例如,有效折射率的存在范围大、具有场

表面等离子体共振实验

表面等离子体共振实验姚付强 2012326690046 应用物理学12（2）班实验目的： 1. 了解全反射中消逝波的概念。 2. 观察表面等离子体共振现象，研究共振角随液体折射率的变化关系。 3. 进一步熟悉和了解分光计的调节和使用。实验原理：当光线从光密介质照射到光疏介质，在入射角大于某个特定的角度（临界角）时，会发生全反射现象。但在全反射条件下光的电场强度在界面处并不立即减小为零，而会渗入光疏介质中产生消逝波。若光疏介质很纯净，不存在对消逝波的吸收或散射，则全反射的光强并不会衰减。反之，若光疏介质中存在能与消逝波产生作用的物质时，全反射光的强度将会被衰减，这种现象称为衰减全反射。如果在这两种介质界面之间存在几十纳米的金属薄膜，那么全反射时产生的消逝波的P 偏振分量将会进入金属薄膜，与金属薄膜中的自由电子相互作用，激发出沿金属薄膜表面传播的表面等离子体波。表面等离子体共振原理如图所示。对于某一特定入射角，消逝波平行于金属(电介质)界面的分量与表面等离子体波的波矢（或频率）完全相等，两种电磁波模式会强烈地耦合，消逝波在金属膜中透过并在金属膜与待测物质界面处发生等离子体共振，导致这部分入射光的能量被表面等离子体波吸收，能量发生转移，反射光强度显著降低，这种现象被称为表面等离子体波共振。当发生共振时，表面等离子体共振角与液体折射率的关系由以下公式表示 2 2 122 10Re Re )sin(n n n sp +=εεθ 其中 sp θ 为共振角， 0n 为棱镜折射率，2n 为待测液体折射率，1Re ε 为金属介电

常数的实部。实验仪器表面等离子体共振实验仪器装置如图所示。主要由分光计、激励光源、偏振片、硅光电池、光功率计、半圆柱棱镜（内充液体介质）。实验内容 1. 调整分光计 2. SPR传感器中心调整 3. 测量某一液体的共振角数据处理最大光强为126 光强126 121 115 107 97 92 91 83 86 87 88 89 93 1.0 0.96 0.91 0.85 0.77 0.73 0.72 0.66 0.68 0.69 0.70 0.71 0.74 相对光强 63 65 66.5 68 69.5 71 72.5 73 73.5 74 75.5 77 78.5 入射角（°）

表面等离子体激元简介报告.docx

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

等离子表面处理

项目提纲一、项目背景等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，主要包括：电子、离子、中性基团、分子、光子，它是除去固、液、气相之外物质存在的第四态。1879年英国物理学家William Crookes发现物质第四状态，1929年美国化学物理学家Langmuir发现等离子体。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间，空间物理，地球物理等科学的进一步发展提新的技术和工艺。等离子体可分为两种：高温和低温等离子体。高温等离子体如焊工用高温等离子体焊接金属。现在低温等离子体广泛运用于多种生产领域。例如：材料的表面处理（塑料表面处理、金属表面处理、铝表面处理，印刷、涂装及粘接前的等离子表面处理），此技术主要作用为清洗材料表面，提高表面的附着能力及粘接能力。等离子技术具有极为广泛的应用领域，这使其成为行业中广受关注的核心表面处理工艺。通过使用这种创新的表面处理工艺，可以实现现代制造工艺所追求的高品质，高可靠性，高效率，低成本和环保等目标。等离子表面处理技术能够应用的行业非常广泛，对物体的处理不单纯的是清洗，同时可以进行刻蚀、和灰化以及表面活化和涂镀。因此就决定了等离子表面处理技术必将有广泛的发展潜力。也会成为科研院所、医疗机构、生产加工企业越来越推崇的处理工艺。二、等离子技术简介射流型常压等离子处理系统由等离子发生器、气体管路及等离子喷枪组成。等离子发生器产生高压高频能量在喷嘴钢管中被激活和被控制的辉光放电中产生了低温等离子体，借助压缩空气将等离子体喷向工件表面，当等离子体与被处理表面相遇时，产生了化学作用和物理变化，表面得到了清洁。却除了碳化氢类污物，如油脂、辅助添加剂等。根据材料成分，其表面分子链结构得到了改变。建立了自由基团，这些自由基团对各种涂敷材料具有促进粘合的作用，在粘合和油漆应用时得到了优化。在同样效果下，应用等离子体处理表面可以得到非常薄的高张力涂层表面，不需要其他机械、化学处理等强烈作用成分来增加粘合性。高分子领域中应用的等离子体表面处理技术，是指利用非聚合性气体(如Ar、N2、CO、NH3、O2、H2等)等离子体与高分子材料表面相互作用，使在表面上形成新的官能团和改变高分子链结构，以改善亲(疏)水性、粘接性、表面电学性能、光学性能以及生物相容性等，从而达到表面改性的目的。参与表面反应的活性种有激发态分子、离子、自由基及紫外辐射光子。对高分子材料表面的作用有刻蚀、断键(链)、形成自由基及活性种与自由基复合从而引入新的官能团或形成交联结构。在等离子体处理过程中，随不同的放电条件，往往以某种作用为主，几种作用并存。等离子体处理的优点是效果显著，工艺简单，无污染，可通过改变不同的处理条件获得不同的表面性能，应用范围广。更为重要的是，处理效果只局限于表面而不影响材料本体性能。其缺点是处理效果随时间衰退；影响处理效果因素的多样性使其重复性和可靠性较差。等离子表面处理在高分子材料改性中的应用，主要表现在下述几方面。 1）改变材料表面亲((疏)水性。一般高分子材料经NH3、O2、CO、Ar、N2、H2等气体等离子体处理后接触空气，会在表面引入—COOH，CO，—NH2''—OH等基团，增加其亲水性。处理时间越长，与水接触角越低，而经含氟单体如CF4''CH2F2等气体等离子体处理则可氟化高分子材料表面，增加其憎水性。 2）增加材料的粘接性。等离子体处理能很容易在高分子材料表面引入极性基团或活性点，

等离子体的应用

等离子体技术与应用学号队别专业姓名

摘要等离子体作为物质存在的一种基本形态，自18世纪中期被发现以来，对它的认识和利用不断深化。我们知道，普通化学反应和化工设备中所产生的温度只有二千多度。而在各种形式的气体放电所形成的低温等离子体中电子温度可达一万度以上，足以造成各种化学键的断裂，或使气体分子激发电离，产生许多在通常条件下不能发生的化学反应，获得通常条件下不能得到的化合物或化工产品，并且获得的化合物与化工产品不会产生热分解。目前，等离子体技术已被广泛的用于国防、工业、农业、环境、通信等一系列国民经济发展领域，极大地推动了信息产业的发展，促进了工业科技进步。关键词等离子体微波放电隐身技术材料的表面改性微波等离子灯引言等离子体是由带电的正粒子、负粒子（其中包括正离子、负离子、电子、自由基和各种活性基团等）组成的集合体，其中正电荷和负电荷电量相等故称等离子体。他们在宏观上呈电中性的电离态气体（也有你液态、固态）。当温度足够高时，构成分子的原子也获得足够大的的动能，开始彼此分离，这一过程称为离解。在此基础上进一步提高温度，就会出现一种全新的现象，原子的外层电子将摆脱原子核的束缚而成为自由电子，失去电子的原子变成带正电的离子，这个过程叫电离。等离子体指的就是这种电离气体，它通常由光子、电子、基态原子（或分子）、激发态原子（或分子）以及正离子和负离子六种基本粒子构成的集合体。因此，等离子体也被称为物质的第四态。内容一、等离子的性质物质的第四态等离子体有着许多独特的物理、化学性质。只要表现如下： 1) 温度高、粒子动能大。 2) 作为带电粒子的集合体，具有类似金属的导电性能。等离子体从整体上看是一种导体电流体。 3) 化学性质活泼，容易发生化学反应。 4) 发光特性，可以作光源。二、等离子技术的应用 2.1微波放电等离子体技术与应用通常，低气压、低温等离子体是在1～100pa的气体中进行直流或射频放电产生的。直流辉光发电首先被研究和应用，但该等离子体是有极放电，而且密度低、电离度低、运行气压高，这就限制了其应用的广泛性。随后，射频放电技术逐步被发展起来，这是一种无极放电，且等离子体工作与控制参数比辉光放电有所提高，因而获得了较广泛的应用。但是其密度和电离度仍较低，应用范围依然受到限制。微波放电初始阶段的物理过程如下。微波引入反应腔中建立起电磁场，反应气体中的电子在微波场作用下获得能量，与气体分子碰撞使其电离，从而得到更多的

表面等离子体

表面等离子体（surface plasmons，SPs）是一种电磁表面波，它在表面处场强最大，在垂直于界面方向是指数衰减场，它能够被电子也能被光波激发。表面等离子体是目前纳米光电子学科的一个重要的研究方向，它受到了包括物理学家，化学家材料学家，生物学家等多个领域人士的极大的关注。随着纳米技术的发展，表面等离子体被广泛研究用于光子学，数据存储，显微镜，太阳能电池和生物传感等方面。表面等离子体表面等离子体 - 科学历史 1902年，R. W. Wood在光学实验中首次发现了表面等离激元共振现象。1941年，U. J. Fano等人根据金属和空气界面上表面电磁波的激发解释了这一现象。R. H. Ritchie注意到，当高能电子通过金属薄膜时，不仅在等离激元频率处有能量损失，在更低频率处也有能量损失峰，并认为这与金属薄膜的界面有关。1959年，C. J. Powell和J. B. Swan通过实验证实了R. H. Ritchie的理论。1960年，E. A. Stren和R. A. Farrel研究了此种模式产生共振的条件并首次提出了表面等离激元（Surface Plasmon，SP）的概念。在纳米技术成熟之后，表面等离子体受到了人们极大的关注，成为目前研究的热点。它已经被应用于包括生物化学传感，光电子集成器件多个领域。表面等离子体 - 基本原理

表面等离子体场分布特性表面等离子体（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。其产生的物理原理如下：如作图所示，在两种半无限大、各项同性介质构成的界面，介质的介电常数是正的实数，金属的介电常数是实部为负的复数。根据maxwell方程，结合边界条件和材料的特性，可以计算得出表面等离子体的场分布和色散特性。一般来说，表面等离子体波的场分布具有以下特性： 1.其场分布在沿着界面方向是高度局域的，是一个消逝波，且在金属中场分布比在介质中分布更集中，一般分布深度与波长量级相同。 2.在平行于表面的方向，场是可以传播的，但是由于金属的损耗存在，所以在传播的过程中会有衰减存在，传播距离有限。 3.表面等离激元的色散曲线在自然光的右侧，在相同频率的情况下，其波矢量比光波矢量要大。表面等离子体 - 激发方式表面等离子体由于在一般情况下，表面等离子体波的波矢量大于光波的波矢量，所以不可能直接用光波激发出表面等离子体波。为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.采用棱镜耦合的方式：棱镜耦合的方式包括两种：一种是Kretschmann结构：金属薄膜直接镀在棱镜面上，入射光在金属-棱镜界面处会发生全反射，全反射的消逝波可能实现与表面等离子体波的波矢量匹配，光的能量便能有效的传递给表面等离子体，从而激发出表面等离子体波。这是目前广泛用于表面等离子体的科研与生产的一种结构。另一种是Otto结构：具有高折射率的棱镜和金属之间

等离子体表面处理技术

等离子体表面处理技术的原理及应用前言：随着高科技产业的讯速发展，各种工艺对使用产品的技术要求越来越高。等离子表面处理技术的出现，不仅改进了产品性能、提高了生产效率，更随着高科技产业的迅猛发展，各种工艺对使用产品的技术要求也越来越高。这种材料表面处理技术是目前材料科学的前沿领域，利用它在一些表面性能差和价格便宜的基材表面形成合金层，取代昂贵的整体合金，节约贵金属和战略材料，从而大幅度降低成本。正是这种广泛的应用领域和巨大的发展空间使等离子表面处理技术迅速在国外发达国家发展起来。一、等离子体表面改性的原理等离子，即物质的第四态，是由部分电子被剥夺后的原子以及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气状物质。它的能量范围比气态、液态、固态物质都高，存在具有一定能量分布的电子、离子和中性粒子，在与材料表面的撞击时会将自己的能量传递给材料表面的分子和原子，产生一系列物理和化学过程。其作用在物体表面可以实现物体的超洁净清洗、物体表面活化、蚀刻、精整以及等离子表面涂覆。二、等离子体表面处理技术的应用 1、在工艺产业方面的应用 1）、在测量被处理材料的表面张力表面张力测定是用来评估材料表面是否能够获得良好的油墨附着力或者粘接附着品质的重要手段。为了能够评估等离子处理是否有效的改善了表面状态，或者为了寻求最佳的等离子表面处理工艺参数，通常通过测量表面能的方式来测定表面，比如使用Plasmatreat 测试墨水。最主要的表面测定方式包括测试墨水，接触角测量以及动态测量评价表面状态低表面能, 低于28 mN/m良好的表面附着能力，高表面能 2）预处理–Openair? 等离子技术，对表面进行清洗、活化和涂层处理的高技术表面处理工艺常压等离子处理是最有效的对表面进行清洗、活化和涂层的处理工艺之一，可以用于处理各种材料，包括塑料、金属或者玻璃等等。使用Openair?等离子技术进行表面清洗，可以清除表面上的脱模剂和添加剂等，而其活化过程，则可以确保后续的粘接工艺和涂装工艺等的品质，对于涂层处理而言，则可以进一步改善复合物的表面特性。使用这种等离子技术，可以根据特定的工艺需求，高效地对材料进行表面预处理。

表面等离子体

LSPs和PSPs的区别局域表面等离子体（Localized Surface plasmons, LSPs）和传播型表面等离子体（Propagating surface plasmons. PSPs）同属于表面等离子体（SPs）1。表面等离子体（SP）是存在于金属与电介质截面的自由电子的集体振荡2。SPR是由于入射激光在特殊波长处局域电磁场增强，物理机制是表面增强拉曼散射（Surface-enhanced Raman scattering, SERS）和尖端增强拉曼散射（Tip-enhanced Raman scattering, TERS）。入射光的电场分量诱导球形金属粒子的表面等离子体共振的原理分析（即图1的解读）3。当入射光照射到贵金属（如：金、银，见脚注1、3）时，在纳米颗粒表面形成一种振荡电场，纳米颗粒中的自由传导电子在振荡电场的激发下集体振荡，入射光子频率与金属纳米颗粒的自由电子云的集体振动频率相等（入射光波长一定）时，发生局域表面等离子体共振（LSPR）。亦可解释为入射光在球形颗粒表面产生电场分量，电子的共谐振荡与激发其的振荡电场频率相同时发生共振，诱导产生LSPR 3。对于LSPs而言，颗粒内外近场区域的场强会被极大增强，原因是：纳米粒子的尺寸远小于入射光波长，使得电子被束缚在纳米粒子周围局域振荡，导致场强增大。对于PSPs（部分文章中称为：SPPs4，金属与介质界面上的电子集体激发振荡的传播型表面电磁波），其表面等离子激元（即TM模式）如上图所示。在SPPs 的情况下，沿金属介质界面，等离子体在X和Y方向上传播，在Z方向上衰减， 1等离激元学[M]. 东南大学出版社, 2014. 2 Zhang Z, Xu P, Yang X, et al. Surface plasmon-driven photocatalysis in ambient, aqueous and high-vacuum monitored by SERS and TERS[J]. Journal of Photochemistry & Photobiology C Photochemistry Reviews, 2016, 27:100-112. 3邵先坤, 郝勇敢, 刘同宣,等. 基于表面等离子体共振效应的Ag(Au)/半导体纳米复合光催化剂的研究进展[J]. 化工进展, 2016, 35(1):131-137. 4王五松, 张利伟, 张冶文. 表面等离子波导及应用[J]. 中国光学, 2015(3):329-339.

低温等离子体技术介绍

技术介绍 --低温等离子体低温等离子体是继固态、液态、气态之后的物质的第四态，当外加电压达到气体的着火电压时，气体被击穿，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体。放电过程中虽然电子温度很高，但重粒子温度很低，整个体系呈现低温状态，所以称为低温等离子体。低温等离子体降解污染物是利用这些高能电子、自由基等活性粒子和废气中的污染物作用，使污染物分子在极短的时间内发生分解，并发生后续的各种反应以达到分解污染物的目的。 “QHDD-Ⅱ”低温等离子体工业废气处理成套设备和技术作为一种新型的气态污染物的治理技术是一个集物理学、化学、生物学和环境科学于一体的交叉综合性电子化学技术，由于能很容易使污染物分子高效分解且处理能耗低等特点，是目前国内外大气污染治理中最富有前景、最行之有效的技术方法之一，其使用和推广前景广阔，为工业领域VOC类有机废气及恶臭气体的治理开辟了一条新的思路。低温等离子体废气处理技术与其他废气治理方法优缺点对比表1-2 几种废气处理工艺的适用范围及优缺点工艺名称原理适用范围优点缺点掩蔽法采用更强烈的芳香气味与臭气掺和，以掩蔽臭气，使之能被人接收适用于需立即、暂时地消除低浓度恶臭气体影响地场合，恶臭强度左右，无组织排放源可尽快消除恶臭影响，灵活性大，费用低恶臭成分并没有被去除，麻痹了对原有污染物的感知热力燃烧法在高温下恶臭物质与燃料气充分混和，实现完全燃烧适用于处理高浓度、小气量的可燃性气体净化效率高，恶臭物质被彻底氧化分解设备易腐蚀，消耗燃料，处理成本高，易形成二次污染，催化剂中毒催化燃烧法

水吸收法利用臭气中某些物质易溶于水的特性，使臭气成分直接与水接触，从而溶解于水达到脱臭目的水溶性、有组织排放源的恶臭气体工艺简单，管理方便，设备运转费用低产生二次污染，需对洗涤液进行处理；净化效率低，应与其他技术联合使用，对水溶性差的物质等处理效果差药液吸收法利用臭气中某些物质和药液产生化学反应的特性，去除某些臭气成分适用于处理大气量、高中浓度的臭气能够有针对性处理某些臭气成分，工艺较成熟净化效率不高，消耗吸收剂，易形成而二次污染吸附法利用吸附剂的吸附功能使恶臭物质由气相转移至固相适用于处理低浓度，高净化要求的恶臭气体净化效率很高，可以处理多组分恶臭气体吸附剂费用昂贵，再生较困难，要求待处理的恶臭气体有较低的温度和含尘量生物滤池恶臭气体经过除尘增湿或降温等预处理工艺后，从滤床底部由下向上穿过由滤料组成的滤床，恶臭气体由气相转移至水—微生物混和相，通过固着于滤料上的微生物代谢作用而被分解掉目前研究最多，工艺最成熟，在实际中也最常用的生物脱臭方法,又可细分为土壤脱臭法、堆肥脱臭法、泥炭脱臭法等。净化效率高，处理费用低占地面积大，易堵塞，填料需定期更换，脱臭过程很难控制，受温度和湿度的影响大，生物菌培训需要较长时间，遭到破坏后恢复时间较长。生物滴滤池原理同生物滤池式类似，不过使用的滤料是诸如聚丙烯小球、陶瓷、木炭、塑料等不能提供营养物的惰性材料。只有针对某些恶臭物质而降解的微生物附着在填料上，而不会出现生物滤池中混和微生物群同时消耗滤料有机质的情况池内微生物数量大，能承受比生物滤池大的污染负荷，惰性滤料可以不用更换，造成压力损失小，而且操作条件极易控制占地面积大，需不断投加营养物质，而且操作复杂，受温度和湿度的影响大，生物菌培训需要较长时间，遭到破坏后恢复时间较长。洗涤式活性污泥脱臭法将恶臭物质和含悬浮物泥浆的混和液充分接触，使之在吸收器中从臭气中去除掉，洗涤液再送到反应器中，通过悬浮生长的微生物代谢活动降解溶解的恶臭物质有较大的适用范围可以处理大气量的臭气，同时操作条件易于控制，占地面积小设备费用大，操作复杂而且需要投加营养物质曝气式活性污泥脱臭法将恶臭物质以曝气形式分散到含活性污泥的混和液中，通过悬浮生长的微生物降解恶臭物质适用范围广，目前日本已用于粪便处理场、污水处理厂的臭气处理活性污泥经过驯化后，对不超过极限负荷量的恶臭成分，去除率可达%以上。受到曝气强度的限制，该法的应用还有一定局限

表面等离子体激元研究现状及应用

表面等离子体激元研究现状及应用黄增盛（桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林 541004）摘要：表面等离子体激元（SPPs）是在金属和介质界面传播的一种波动模式，本文主要讨论了的一些基本特性，概述了现在阶段主要的一些激发产生的方式。描述了在集成光通信上的应用，比如基于表面等离子体激元的纳米激光器、新型波导和SPPs耦合器等纳米光子器件。分析了表面等离子体共振(SPR)技术在生物及医疗领域的新应用，并对其在治疗癌症方面的技术原理进行了讨论。介绍了SPPs在新型光源和能源领域的发展和应用情况，最后讨论了SPPs在光存储方面的快速发展。关键词：表面等离子激元；表面等离子体共振；纳米激光器 The research situation and applications of surface plasmon polaritons Huang 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 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 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 storage. Key words: The surface plasmon polaritons; The surface plasmon resonance; The nano lasers 表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons, SPPs)是光和金属表面的自由电子相互作用所引起的一种电磁波模式,或者说是在局域金属表面的一种自由电子和光子相互作用形成的混合激发态。它既具有光子学的速度，又具有电子学的尺度，能够在亚波长结构中对光进行约束和操控，被喻为目前最有希望的纳米集成光子器件的信息载体。目前，SPPs 光波导、亚波长孔径的增强透过现象以及光控高速光开关从实验和理论上都得到了广泛的论证。伴随着纳米科技的蓬勃发展，许多有趣的表面等离子体光学器件不断向前推进，在各个领域发挥着越来越重要的作用。 1SPPs 的基本特性表面等离子体激元是指光子与金属表面的自由电子相互作用而被俘获，外来光子电磁场激发引起金属中电荷密度涨落产生的电磁模式，它沿着金属表面传播，是一种倏逝表面波，满足麦克斯韦方程[2]。

等离子体表面改性技术的研究与发展.

等离子体表面改性技术的研究与发展摘要本论文介绍了等离子体的相关概念，主要阐述了低温等离子技术在金属材料表面改性中的两种处理方法。并对等离子体电解沉积技术做了简要介绍，分析了该技术的应用前景及存在的问题。最后对等离子体表面改性技术的发展做出展望。关键词等离子体；表面改性；等离子体电解沉积技术 Development of Plasma Surface Modification Technology Abstract ：The relate concept of plasma the means on application of cold plasma technology to surface modification of metal in this paper. This article also introduce Plasma electrolysis deposition technology, the problems and development directions of PED in the surface modification technology arc also presented. The prospects of plasma surface modification technology is also analyzed. Key words ：plasma，surface modification，plasma electrolytic deposition 0. 前言金属零部件的磨耗量是增大能耗，增加零部件更换率和提高生产运用成本，降低生产效率的重大问题，因此如何提高零部件表面的耐磨性，实施表面改性处理是十分重要的课题。随着科学技术和现代工业的发展，各种工艺对使用产品的技术要求越来越高，对摩擦、磨损、腐蚀和光学性能优异的先进材料的需要日益增长，这导致了整个材料表面改性技术的发展与进步。其中等离子体表面改性技术发挥了重要作用。等离子表面处理技术的出现，不仅改进了产品性能、提高了生产效率，同时开创了一门新的研究领域。这种材料表面处理技术是目前材料科学的前沿领域，利用它在一些表面性能差和价格便宜的基材表面形成合金层，取代昂贵的整体合金，节约贵金属和战略材料，从而大幅度降低成本。正是这种广泛的应用领域和

表面等离子体激元简介

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。（2）严格耦合波法(rigorous coupled—wave analysis，RCWA)：该方法是分析光栅的有利工具，它是基于严格的矢量maxwell 方程来分析。由于在很多的表面等离子的结构中都会引入衍射光栅结构，所以RCWA方法也被越来越多的学者用来分析相关的问题，并且取得了不错的效果。（3）限元法(finite element method,FEM)：该方法是从变分原理出发，将定义域进行有限分割，离散成有限个单元集合。通过区域剖分和分偏差值，把二次泛函的极值问题化为普通多元二次函数的极值问题，后者等价于一组多元线性代数方程的求解。该方法分析的是一种近似结果，不过很多的问题能近似模拟，目前应用也比较广泛。三．SPPs的若干应

高分子材料的等离子体表面处理

高分子材料的等离子体表面处理摘要阐述了等离子体表面改性技术的作用原理, 总结论述了等离子体对高聚物表面作用的几种理论, 经低温等离子体处理的高分子材料表面发生多种物理和化学变化,重点介绍了低温等离子体在医用高分子材料、合成纤维材料、薄膜材料中的研究概况和进展。关键词: 等离子体; 表面改性; 高分子材料; 0 引言高分子聚合物材料同金属材料相比具有许多优点, 如密度小、比强度和比模量低、耐蚀性能好、成型工艺简单、成本低廉、优异的化学稳定性、热稳定性好、卓越的介电性能、极低的摩擦系数、良好的润滑作用及优异的耐候性等, 因此广泛应用于包装、印刷、农业、轻工、电子、仪表、航天航空、医用器械、复合材料等行业[1]。但其应用范围和使用效益往往会受到表面性能的制约,因此常常需按使用目的改善或变换其表面性能，如材料或部件的粘着性，高分子膜的印刷性、透过性等。 1 高分子材料的表面改性高分子材料的各种表面性能的获得取决于材料的表面结构和相关的界面特性，所以高分子材料的界面物性控制是非常必要的。图1 界面物控技术内容及应用领域图1所示为界面物性控制技术的内容和相关的应用领域。为了使高分子材料适合各种应用需要，大体上有两类作法。一类是利用各种表面改性技术产生一个新的表面活性层，从而改变表面、界面的基本特性。另一类作法是借助功能性薄膜或表面层形成技术在原表面上敷膜。这两种作法的目的都是为了使材料具有或同时具有几种表面性能。为此，人们研究开发了许多种可供利用的表面处理技术。诸如化学湿法处理，利用电子束或紫外线的干式处理，利用表面活性剂的添加剂处理以及采用真空蒸渡的金属化处理等。本论文主要介绍的等离子体表面处理是利用低压气体辉光放电的干式处理技术。既能改变表面结构，控制界面物性，也可以按需求进行表面敷膜。在塑料、天然纤维、功能性高分子膜的表面处理方面有着巨大

等离子体表面处理仪

等离子体表面处理仪 1.什么是等离子体？等离子体表面处理仪有几种称谓，英文叫（Plasma Cleaner）又称等离子清洗机,等离子清洗器,等离子清洗仪。等离子体和固体、液体或气体一样，是物质的一种状态，也叫做物质的第四态。对气体施加足够的能量使之离化便成为等离子状态。等离子体的"活性"组分包括：离子、电子、活性基团、激发态的核素（亚稳态）、光子等。等离子体表面处理仪就是通过利用这些活性组分的性质来处理样品表面，从而实现清洁、改性、光刻胶灰化等目的。 1、等离子清洗原理概述等离子体是物质的一种存在状态，通常物质以固态、液态、气态三种状态存在，但在一些特殊的情况下有第四中状态存在，如地球大气中电离层中的物质。等离子体状态中存在下列物质：处于高速运动状态的电子；处于激活状态的中性原子、分子、原子团（自由基）；离子化的原子、分子；未反应的分子、原子等，但物质在总体上仍保持电中性状态。等离子清洗/刻蚀技术是等离子体特殊性质的具体应用：等离子清洗/刻蚀机产生等离子体的装置是在密封容器中设置两个电极形成电场，用真空泵实现一定的真空度，随着气体愈来愈稀薄，分子间距及分子或离子的自由运动距离也愈来愈长，受电场作用，它们发生碰撞而形成等离子体，这些离子的活性很高，其能量足以破坏几乎所有的化学键，在任何暴露的表面引起化学反应，不同气体的等离子体具有不同的化学性能，如氧气的等离子体具有很高的氧化性，能氧化光刻胶反应生成气体，从而达到清洗的效果；腐蚀性气体的等离子体具有很好的各向异性，这样就能满足刻蚀的需要。利用等离子处理时会发出辉光，故称之为辉光放电处理。等离子体清洗的机理，主要是依靠等离子体中活性粒子的“活化作用”达到去除物体表面污渍的目的。就反应机理来看，等离子体清洗通常包括以下过程：无机气体被激发为等离子态；气相物质被吸附在固体表面；被吸附基团与固体表面分子反应生成产物分子；产物分子解析形成气相；反应残余物脱离表面。等离子体清洗技术的最大特点是不分处理对象的基材类型，均可进行处理，对金属、半导体、氧化物和大多数高分子材料，如聚丙烯、聚脂、聚酰亚胺、聚氯乙烷、环氧、甚至聚四氟乙烯等都能很好地处理，并可实现整体和局部以及复杂结构的清洗。