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的若干应用 1. SPPs波导 SPPs波导是实现纳米光子回路的基础，在此基础上人们可以进一步研制集成于金属表面的各种SPPs器件，从而构筑等离子体光子芯片。在这方面，武汉大学汪国平教授领导的研究小组的研究成果较为突出，并著有相关著作。在表面等离子带隙结构中引入线缺陷即可引导SPPs的传播，通过设计缺陷的形状可以实现SPPs的直线波导、弯曲波导以及分束波导等。 . 2SPPs耦合器等离子体光子芯片具有输出输入端口，这些端口通过SPPs耦合器，可以避免将远场光直接耦合到SPPs芯片中的纳米光电子器件上。一个优选的方案是将半球形状的金属纳米颗粒与基于纳米点的SPPs波导整合一起。当聚焦的SPPs馈送进耦合器中，传播距离可达4.0m。纳米点也能够用于聚焦SPPs，形成高近场强度和亚波长宽度的光斑。
3.SPPs新型光源 SPPs引发的电磁场，不仅能够限制光波在亚波长尺寸结构中的传播，而且能够产生和操控从光频到
微波波段的电磁辐射。在有源光学材料附近附着金属结构，在
金属结构表面诱导产生SPPs，使得有源光学材料周同的光子态
密度发生显著变化，从而改变有源光学材料的自发辐射寿命，减弱非辐射过程对于其发光过程的影响，进而提高发光效率。利用SPPs能够改善激光器的性能。例如，在SEMS型硅基激光器中引入表面刻有光栅结构的金薄膜结构，选择特定的铒离子极化方向，受到外部光激发的铒离子能够有效诱导产生表面等离子体激元，研究结果表明：多层掺铒硅单层的平均自发辐射寿命缩短了，相应的SEMS型硅基激-1光器在1.54mm波长处的增益系数提高了24%(原增益系数为30cm)。 4. SPPs纳米光刻技术 2005年，美国加州大学伯克利分校的Zhang等利用基于表面等离子体原理进行纳米光刻的实验旧，在365 nm波长照明光作用下实现了超衍射分辨力光刻，对单线条的分辨力达到40 nm，对光栅线条的分辨力可达60 nm。在该光刻实验结构中，掩模版、间隔层、薄Ag板和光刻胶做成一个整体，薄Ag 板通过电子束蒸发淀积而成，间隔层则是通过多次刻蚀达到要求的厚度，这一实验的报道，极大地推动了SPPs在光刻技术中应用的研究。 5. SPR传感器利用表面等离子体共振现象研制光化学传感器已引起人们的极大兴趣，正成为传感器领域的研究前沿。光纤SPR传感器在传感机理上主要有两类：一是利用倏逝场效应，通过腐蚀或研磨掉包层后在纤芯表面镀金属膜，或在锥形光纤表面镀金属膜；二是在纤芯内写入长周期光栅，将芯内的模式在某一特定波长转化成包层高阶模，使高阶模与等离子体实现相位匹配。表面等离子体共振技术以其高
灵敏度和快速的无标记检测的优点，根据其原理研制的表面等离子体传感器，在检测、分析生物分子间的相互作用等方面有广泛的应用前景。目前，表面等离子
体共振技术已经运用在免疫检测、药物代谢及蛋白质动力学等生命科学研究中。
低温等离子体表面处理技术
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)
金属纳米孔阵列的表面等离子体性质和应用
目录 目录 摘要...................................................................................................................................I Abstract............................................................................................................................V 论文主要创新与贡献......................................................................................................IX 目录..............................................................................................................................XI 第1章绪论.. (1) 1.1金属表面等离子体的研究概况 (1) 1.1.1局域表面等离子体共振(LSPR)和表面等离子激元(SPP) (2) 1.1.2金属表面等离子体的研究历史 (6) 1.2金属孔阵列的研究概况 (10) 1.2.1反常光学透射(EOT)现象 (11) 1.2.2反常光学透射(EOT)现象的机制研究 (13) 1.2.3基于反常光学透射(EOT)现象的应用研究 (16) 1.3本文针对的问题 (24) 1.4本文的主要工作 (25) 第2章研究方法 (27) 2.1数值计算方法概况 (27) 2.2时域有限差分法的历史 (28) 2.3时域有限差分法的基本技术元素 (31) 2.4时域有限差分法的认可度 (37) 2.5本章小结 (38) 第3章金属纳米孔阵列的光学性质 (39) 3.1 引言 (39) 3.2材料结构及计算参数 (40) 3.3结果与讨论 (41) 3.3.1孔形对金属纳米孔阵列光学性质的影响 (41) 3.3.2金属矩形纳米孔阵列的光学性质 (46) 3.4本章小结 (49) 第4章双层金属矩形纳米孔阵列的光学性质 (51) 4.1 引言 (51) 4.2材料结构及计算参数 (51) 4.3结果与讨论 (52) 4.3.1双层薄金属矩形纳米孔阵列的光学性质 (53) 4.3.2双层厚金属矩形纳米孔阵列的光学性质 (54) 4.3.3不同厚度双层金属矩形纳米孔阵列的光学性质 (57) 4.4本章小结 (59) 第5章基于金属矩形纳米孔阵列的光学磁性超材料 (61) 5.1 引言 (61) 5.2材料结构及计算参数 (62) 5.3金属矩形纳米孔阵列的光电磁特性 (64) 5.4本章小结 (69) 第6章基于Ag-Au双金属渔网结构的低损耗光学磁性超材料 (71) XI
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
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
表面等离子体激元简介报告.docx
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
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
等离子体及其在微电子封装领域的应用
等离子体及其在微电子封装领域的应用 在微电子元件制造过程中, 封装是一个重要步骤。优良的封装技术可以提高微电子产品的寿命，可靠性和降低环境对产品性能的影响。在微电子封装工艺中，常见的问题是芯片粘接中的空隙, 引线键合中较低的键合强度, 塑料封装后的界面剥离等等。所有这些问题均与材料的表面特性有关。 未经表面处理的材料通常不具备符合粘结的物理和化学特性而需要表面活化。表面上沉积的污染物影响了表面粘结能力而需要表面清洗。等离子工艺提供了有效的表面清洗和活化方法。在保证整体材料性质不变的情况下，等离子工艺能够实现固体表面几个分子层的物理或化学改性。 等离子体介绍 等离子体是部分电离的电中性的气体,是常见的固态，液态，气态以外的第四态。等离子体由电子，离子，自由基，光子，及其它中性粒子组成。由于等离子体中电子, 离子和自由基等活泼粒子的存在, 因而很容易与固体表面发生反应。这种反应可分为物理溅射和化学反应。物理溅射是指等离子体中的正离子在电场中获得能量去撞击表面。这种碰撞能移去表面分子片段和原子，因而使污染物从表面去除。另一方面，物理溅射能够改变表面的微观形态，使表面在分子级范围内变得更加"粗糙"，从而改善表面的粘结性能。 等离子体表面化学清洗是通过等离子体自由基参与的化学反应来完成。因为等离子体产生的自由基具有很强的化学活性而降低了反应的活化能，从而有利于化学反应的进行。反应中产生的易挥发产物(主要是气体) 会脱离表面, 因而表面污染物被清除。反应的有效性, 即表面改性的有效性取决于等离子体气源, 等离子系统的组合, 及等离子工艺操作参数。 等离子体表面清洗及活化工艺具有诸多优点。主要表现为: 1. 等离子工艺是有利于环境保护的工艺。等离子清洗过程中仅使用微量气体，没有污染物排放。 2. 等离子清洗工艺成本较低, 容易使用。可以处理拥有各种表面的材料, 并具有良好的均匀性和重复性。 3. 维护及保养费用较低。 4. 适合于高级封装及其它需要表面改性的工艺。 随着电子电路集成化的提高, 芯片尺寸变得越来越小, 表面清洗的要求越来越高。等离子体表面清洗工艺已经成为最好的选择之一。 等离子体应用 集成电路封装工艺包括芯片粘结, 引线键合及塑料封装。由于表面氧化物和有机污染物的存在, 导致了不完全有效的芯片粘结, 不良的引线键合强度, 以及封装后微电子装置中的剥离现象。所有形式的表面污染降低了集成电路封装中的可靠性和产率. 等离子体清洗可应用于芯片粘结工艺之前。等离子清洗和活化后的表面将改善芯片的粘结能力并减少可能产生的空隙。这种良好的粘结性能改善了封装的热消散能力。当共晶焊锡在芯片粘结中被用作粘结材料时, 表面的氧化会影响芯片粘结。等离子工艺能有效去除表面的金属氧化物, 从而确保无空隙的芯片粘结。 金属焊盘上污染物的存在会降低引线的键合能力。在高级封装工业中, 日益缩小的焊盘限制了键合表面尺寸, 从而增加对无污染表面的要求。在引线键合之前, 等离子体被用于去除焊盘上的污染物和氧化物, 增加键合可靠性和能力。研究发现, 经等离子体清洗后的表面, 引线键合力平均增加24.3%。 在BGA封装中, 由于封装化合物和各种材料界面之间存在不良的粘结能力, 易于产生界面剥离。通过增加BGA产品的表面能, 等离子体工艺能极大地改善材料界面的粘结能力,
(完整word版)表面等离激元
表面等离子体共振波长 1.共振波长的基本求解思路 表面等离激元(SP)是指在金属和电介质界面处电磁波与金属中的自由电子藕合产生的振动效应。它以振动电磁波的形式沿金属和电介质的界面传播，并且在垂直离开界面的方向，其振幅呈现指数衰减。表面等离激元的频率与波矢可以通过色散关系联系起来。其垂至于金属和电解介质界面方向电磁场 可表达为: 式中表示离开界面的垂直距离，当时取+，时取一。式中为虚数，引起电场的指数衰减。波矢平行于方向，，其中为表面等离子体的共振波长。由表达式可见，当时，电磁场完全消失，并在时为最大值。 函数，以及电介质的介电常数来求解表面等离激元的的色散关系，由公式: ，可得到等离激元色散关系式为: ，如果假设和都为实数，且 ，则可获得一个较为复 杂的色散关系式 其中， (从实部可以计算SPPs 的波长 '2/x SPP K λπ=，SPPs 的传播距离SPP δ主要决定于虚部''2SPP SPPs k δ=
2. 金属表面等离体子频率的求解 当波矢较大或者时，的值趋向于21P SP ωωε=+ 对于自由电子气，，是金属体电子密度，是电子有效质 量，是电子电荷。因此，随增大而减小。 (1) 具有理想平面的半无限金属 全空间内电势分布满足拉普拉斯方程：由于在方向上介质和金属都是均匀的，所以可令解的形式为得拉普拉斯方程的解 由以及边界条件： 可以得到介质与金属相对电容率之间的关系： ,假设介质的相对电容率为与
频率无关的常数，由金属相对电容率的表示式可知因此金属表面等离体子频率为当介质为真空时，得到金属表面等离体子频率为 (2)金属中存在着大量的价电子，它们可以在金属中自由地运动．由于价电子的自由移动性及电子间存在着库仑相互作用，所以在金属内部微观尺度上必然存在着电子密度的起伏．由于库仑作用的长程性，导致电子系统既存在集体激发(即等离体子振荡)，也存在个别激发(即准电子)．而在小波矢近似下只存在集体激发，故可以将电子密度的傅里叶分量作为集体坐标来描述这种关联，在k 一0的极限下，有式中为单位体积内的电子数．由此方程可以得到金属内等离体子振荡频率 从以上讨论及推导可以看出，金属等离体子振荡实际上是在库仑作用参与下的高粒子数密度系统中电子的集体运动，等离体子就是电子集体振荡的能量量子．由于库仑势场是纵场，因此等离体子是纵振动的量子．以上所讨论的情况没有考虑到金属边界的影响，即认为金属是无限大的，计算得到的频率为块状金属中的体相等离体子频率． 3.金属介电常数的求解 (1)另外，根据Drude 自由电子气模型，理想金属的介电方程可写为: 22()1p i ωεωωτω =-- ,p ω是等离子体振荡频率,,τ是散射速率描述电子运动遭遇散射而引起的损耗， 161311.210/, 1.4510p rad s s ωτ-=?=?对于银,。 (2)球状金属的SP 介电常数可由以下公式给出: 式中为金属周围环境的介电常数。从公式可以得到无限多的模式，在 时得到最低阶介电模式。由于光子通过这些介电模式藕合进入SP ，
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
基于表面等离子体激元的新型太赫兹探测技术
基于表面等离子体的新型太赫兹探测技术 表面等离子体激元（Surface Plasmonics），是二十一世纪兴起的一个热门光学研究方向，其最大的特点是其在亚波长的尺度上具有一些新奇的特性，利用这些特性，能够实现传统折射和衍射光学无法实现的效果。基于等离子体发展出来的芯片已经能够有效操纵等离子体波，近十几年来，表面等离子体已经在光谱的光学部分中取得了大量的应用。 利用等离子体激元实现太赫兹探测是更晚一些的事情，其重要突破口是AlGaAs 和GaAs半导体纳米结构在获得更高纯度方面取得了进展，从而使表面等离子体的应用拓展到太赫兹（THz）波段成为可能。这种方法能够克服传统天线转化效率低，只能进行单点测量的缺点，能够轻松实现线阵或面阵的低成本快速测量。 即使这样，将表面等离子体应用于太赫兹波段还是有非常大的挑战，这主要是由于表面等离子体本身的局限。虽然表面等离子体能够突破传统的衍射极限，实现更小尺度的光操控，但标准的二维（2D）等离子体激元只有在频率ω> 1 /τ时才可观察到，其中τ为松弛时间，τ会随着温度的升高而降低。这就导致表面等离子体效应仅在足够大的频率（短波长）和足够低的温度下才可见。这样观察太赫兹波仅在低于80K的低温下实现，需要非常严苛的实验室条件。 科学家们为了避免这个限制限制，提出了一种相对等离子体激发方法（relativistic
plasma excitations），这种方法在门控二维电路系统中探测的新型表面子体波。这些弱阻尼的表面子体波在高电导率的电子系统（2πσ> c），具有强烈的极化特性，其能够实现在太赫兹和微波波段探测表面等离子体波。 表面等离子体激元探测太赫兹波的路径 按照如下的技术路径，就可以实现对太赫兹波的探测。 1）特殊设计的宽带天线结构将太赫兹波转换为表面等离子体波的交变电势； 2）利用等离子体波导的不对称性，整流交变电势以产生光响应信号输出 这种方法可以选择探测器的几何形状以匹配特定的THz频带。
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。
等离子体及其技术的应用
等离子体及其技术的应用 摘要: 随着等离子体技术的迅速发展，逐渐形成了一个新兴的等离子体化工体系。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。这势必会造就很多性能优良的新物质，其也将会有广泛的应用前景。 关键词：等离子体；喷涂；焊接；尾气处理；隐身技术
Plasma and its technical application ABSTRACT With the rapid development of plasma technology, and gradually formed a new plasma chemical system.We know, the common chemical reaction and chemical engineering equipments only produce two thousand degrees temperature.The temperatures that in low temperature plasma electronic produced by all forms of gas discharge up to ten thousand degrees or above,more enough to fracture all sorts of the chemical bonds, or make the gas molecule ionization, produce many chemical reactions that can't happened in usual conditions , get compound or chemical products that can't achieved in usual conditions , and the products won't occur thermal decomposition.It will produce a lot of new substances that performance excellent ,and have a broad application prospect. keywords:plasma；flame plating；soldering；tail gas treatment；invisible technology
表面等离激元
表面等离激元介绍 定义及原理： 当光波（电磁波）入射到金属与介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波，如果电子的振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时就形成的一种特殊的电磁模式：电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，这种现象就被称为表面等离激元现象。 性质： 表面等离激元是外界光场与金属中自由电子相互作用的电磁模，在这种相互作用下外界光场被集体振荡的电子俘获，构成了具有独特性质的SPPs 。在平坦的金属/介质界面，SPPs 沿着表面传播，由于金属中欧姆热效应，它们将逐渐耗尽能量，只能传播到有限的距离，大约是纳米或微米数量级。只有当结构尺寸可以与SPPs 传播距离相比拟时，SPPs 特性和效应才会显露出来。随着工艺技术的不断进步，现今已经可以制作特征尺寸为微米和纳米级的电子元件和回路，在这个领域的研究也迅速开展起来。 表面等离激元主要具有如下的的基本性质: 1. 在垂直于界面的方向场强呈指数衰减; 2. 能够突破衍射极限; 3. 具有很强的局域场增强效应; 4. 只能发生在介电参数(实部)符号相反(即金属和介质)的界面两侧。 表面等离激元的激发： 由于表面等离激元在界面附近的电场方向与界面垂直，要激发表面等离激元，光波必须具有与界面垂直的电场分量。此外，在激发表面等离激元的过程中，还需要满足波矢匹配条件。相同频率下，金属与介质界面的表面等离激元与光波的波矢关系可以表示为：2/12 1210)(εεεε+=k k spp ，其中spp k 是表面等离激元波矢，0k 是光波波矢。一般来说，对于介质01>ε；而对于金属，212;0εεε<<且。相同频率时，表面等离激元的波矢大于光波波矢，所以用平面光波无法直接激发出表面等离激元。要想实现光激发，就必须通过特殊方法来补偿光波损失，使波矢匹配条件成立。目前主要通过全反射和散射波矢补偿两种方法。
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]。
2.2和2.3气体放电等离子体及其应用
电容耦合射频放电 为了维持直流辉光放电，电极必须是可导电的。如果其中一端或两端电极都不可导电，如当辉光放电用于绝缘材料的光谱化学分析或介质薄膜的沉积，此时电极表面附着绝缘材料，电极因正负电荷的积累而充电，辉光放电熄灭。为了解 决这个问题，可以在电极间加交流电压，这样，每个电极都可以充当阳极和阴极，在电压正半周期时积累的部分电荷将会在电压负半周期时被抵消。 通常，电压频率为射频范围（1kHz-310kHz ，常见频率为13.56MHz ）。严格的说，在其他电压频率时，也会产生电容耦合放电，所以称其为交流放电更合适。另外，频率应该很高，这样半个周期才会比绝缘体充满电的时间短。否则，电极将会相继呈相反极性，引起短暂放电，而不是持续放电。由计算可得，当所加电压频率大于100kHz 时，放电能持续。实际上，很多射频辉光放电过程产生于13.56MHz 。因为该频率是国际通信局规定的，其在传播一定能量的时候不会对通信产生干扰。 此时需要强调，所谓电容耦合，指的是将输入功率耦合为放电一种方式，也就是说，利用两个电极及其鞘层形成一个电容。后面会讲到，射频功率也可以利用其它方法耦合放电。 在典型射频频率下，电子和离子的行为完全不同，这可通过它们不同的质量解释。电子质量小，可以跟得上射频电压产生的时变电场的变化。实际上，电子的固有频率，或所谓的电子等离子体频率为：;02εe e pe m e n w = e pe n f 9000=（Hz ） （1） e n 用3-cm 表示。当电子密度从1010变化到 31310-cm 时，等离子体频率由9×810变化至3× 1010Hz ，比13.56MHz 大很多。如果电压频率小于 离子等离子体频率，离子可以跟得上鞘层内的电 场的变化。由于离子等离子体频率与质量呈反 比，电子可以跟的上典型射频时电场的变化，而 离子只能跟得上随时间均匀变化的电场。 电容耦合射频放电的另一个重要的方面是， 自给偏压现象，也是由电子和离子质量的不同引 起的。当两电极大小不同时，或当射频电源与电 极之间形成耦合电容时，或电极是绝缘的（因为可以把它当作电容），自给偏压也称直流偏压便会形成。当在由电极形成的电容上施加一方波（见图3）时，等离子体电压值将达到所加电压的值。当所加电压刚开始为正时，如图3，电子将加速向电极运动。因此，电容将通过电子电流迅速充电，等离子体电压下降。半个周期后，所加电压极性改变时，等离子体电压改变相同的数值（即施加电压幅值的2倍）。电容此时通过离子电流已充电完成，等离子体电压将下降，但比先前下降的少，因为离子的迁移率较低，导致离子流通量较小。又经过半个周期时，电压极性改变，同样等离子体电压极性也改变。此时，等离子体电压下降更快，因为电容因电子流又充满了电。此过程周而复始，直到电容最终充满足够的阴极电荷，此时电子和离子在一个射频周期内流量相同。最终在射频功率电极间形成一个随时间均匀变化的负直流偏压（图3中的虚线表示）。需要说明的是，该现象也会发生在地极中，但影响很小。图4为一典型的正弦电压，其频率为13.56MHz ，以及其所对应的直流偏压。
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.
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