纳米光子学1-余

1表面等离子激元（SPPs）：

定义：是在金属表面区域的一种自由电子和光子相互作用的形成的电磁模。

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。激发方式：(1)波导结构：利用波导边界处的倏逝波激发表面等离子体波，使波导中的光场能量耦合到表面等离子体波中。在实际的研究中，常采用光纤做波导，剥去光纤某段的包层，再镀上金属；(2)棱镜耦合：包括两种，一种是Kretschmann 结构，另一种是Otto 结构。Kretschmann 结构适用于金属薄膜，入射光以大于全反射角的角度入射，利用棱镜的高折射率进行波矢补偿，类似于油浸透镜的原理。2sin spp p k n p q l =；对于较厚的金属膜，Otto 结构比较适合。在该结构中，虽然全反射棱镜和金属膜之间有很小的空气间隙(近场区域)，仍可在金属和空气间隙的界面上激发SPPs。(3)光栅耦合：利用光栅引入一个额外的波矢量的增量实现波矢量的匹配。(4)近场耦合：对于粗糙表面，不需要任何额外的结构设计，表面粗糙的衍射效应就可以提供在金属膜表面激发SPPs 所需的波矢补偿即直接的光照射便激发SPPs。(5)NSOM 激发：用一个尺寸小于波长的探针尖在近场范围内去照射金属表面，由于探针尖尺寸很小，从探针尖出来的光会包含波矢量大于SPPs 矢量的分量，这样就能够实现波矢量的匹配。(6)采用强聚焦光束，利用高数值孔径的显微目镜可直接接触到介质层，在介质层与目镜之间涂上匹配油层，高数值孔径能够提供足够大的入射角，实现波矢量匹配，从而激发出表面等离子体波。

2金属电介质界面表面等离子色散关系的物理意义：

1/2m d m d c εεωβεε??=??+??,β为传播常数。m ε表示金属或者半导体介质相对介电常数；d ε表示电介质相对介电常数。其实部和虚部为：1/2d mr r d mr c εεωβεε??=??+??，3/222()mi d mr i mr d mr c εεεωβεεε??=??+??

物理意义：等离子体中存在的波的频率和波矢之间的关系需满足色散关系，而色散关系完全确定给定条件下等离子体中可能存在的波的全部性质。SPP 色散关系可以完全描述SPP 的光特性，是进行SPP 相关研究的基本理论基础。

3任选一种表面等离子激元应用，简述原理。

表面等离子传感器（图）

偏振光入射到金属薄膜上，经聚焦若入射角度满足()()2121arcsin

εωωεωωθ+=，产生SP 激发，SP 与n 有敏感的关系，下面是流体通道，内放有特殊物质，从而折射率n 变化，即θ也变化，角度的变化反应n 变化，从而确定生物组织是否变化。

4光子晶体的基本概念（带隙成因与电子材料的区别）

概念：是一种介电常数周期性调制的微结构材料，尺度为波长量级，具有光子带隙特性的人造周期性电介质结构，是1987年美国贝尔研究中心的Eyablono witch 和普林斯的S.John 分别独立提出了光子晶作的概念。

光子带隙：在一定频率范围内的光子在光子晶体的范围内的某些方向上是禁止传播的。完全带隙，在一定频率范围内，任何偏振与传播方向的电磁波都被严格禁止，这种情况只有在三维晶体中才能实现。光子晶体特性：①抑制自发辐射：带隙中密度力零，自发辐射几乎为零，这也抑制了自发辐射②光子局域化，光子晶体原有的对称性遭到破坏时，即有了缺陷，在光子晶体中禁带就可能出现频宽极窄的缺陷态或域态。与缺陷频率符合的光子会被局限在缺陷位置，而不能向空间传播。

与半导体的区别：半导体：原子周期性排列，原子尺度自然结构，控制电流。1950年电子技术革命。光子晶体：介电常数周期性变化，尺度波长量级，人工结构，控制电磁波传播，现在光学新领域。

与电子材料的区别：①电子和光子具有不同波，可见光400－700nm，电子0.1nm②电子系统遵循薛定谔方程???E )r (V u

2h 22=+??，光子系统依照亥姆霍兹方程()()0E r c

E E 22=????+??εω③带隙成因不同：电子在周期场中传播时由于会受到周期势场的布拉格散射会形成能带结绝，带与带之间可能存在带隙，电子波的能量如果落在带隙中，传播是禁止的，电磁波在周期性介质材料中传播时，由于受到调制而形成光子能带结构，频率落在带隙内的电磁波不能通过介质，而被全部反射，即形成光子带隙。

（图）

自然界的光子晶体：

蛋白石：一种天然宝石，以乳白色居多，不同角度观赏呈不周颜色，具有七彩缤纷的外观。成因：含SiO2地下水渗入岩缝沉积形成，沉积1CM3的蛋白石约需10000年。应用：已有多种基于光子晶体的全新光子学器被相继提出，包括无阈值的激光器，无损耗的反射镜和弯曲光路。高晶质因子的光学微腔，低驱动能量的非线性开关和放大器，波长分辨率极高而体积极小的超棱镜，具有色散补偿作用的光子晶体光纤，以及提高效率的发光二极管等。光子晶体近期在国际上的应用进一步深化，具体表现在：1、与纳米技术结合，用于制造微米级的激光硅基。2、与量子点结合，使得原子和光子的相互作用影响材的性质，从而达到减小吸收等作用。3、光子晶体的光纤应用。

5微腔的品质因子，精细度，自由电子谱宽度。

光学微腔是一种尺寸在微米量级或者亚微米量级的光学谐振腔。它利用在折射率不连续的界面上的反射全反射散射或衍射效应，至少在一个方面将光限制在一个很小的区域。

最简单模型：（C－J 2模型，即单膜场与二原子能级作用，可给出解析解）

)a a a (g a a W 2

W H R d ++++++?=σσ理想腔：无损振荡—Rabi 实际：Dumped 振荡。

三种典型的微腔：1、F－P 腔：Q 不高，模式体积大。2、回单壁模式微腔：轴对称，内反射对光控制，Q 很高，容易集成。3、光子晶体微腔：引入缺陷，Q 高，模式体积小。（画图，公式）

6量子点石墨烯

量子点：由少量原子构成的体积很小的固体材料。量子点是尺寸一般在100nm以下，外观恰似一极小的点状物，其内部中子在各方向上的运动都受到局限，所以量子局限效应特别显著。由于量子局限效应会导致类似原子的不连续的电子能级结构，因此量子点又被称为人造原子。

制备：①在量子阱结构上进行精细加工②化学溶胶法，可制作多层量子点，过程简单，可大量生产③自组装法④光刻与蚀刻法⑤其他方法，如利用STM的钱尖制做的金纳米量子点等。量子点材料在发光激光、生物及医学领域具有十分广阔的应用前景。

应用：量子点发光的颜色可通过改变量子点尺寸、表面特性及材料等多种方法来控制，而且其发光效率高，可以用来制做高效发光器件。1994年第一个量子点的激光器研制成功，1996年第一个室温下工作的量子点激光器研制成功。主要优点：阈值电流密度远低于传统激光器和量子阱激光器。

石墨烯是采用激光加热石墨蒸发并在甲苯中形成碳的团簇，质谱分析发现C60和C70的新谱线。C60具有高稳定性的新奇结构。它是一个32面体，其中有20个六边形和12个五边形所构成。是C原子构成的单层片状结构的新材料。

性质：①石墨烯具有特殊的力学性质，它比钻石还坚硬。当片状足够大时，结构是稳定的，而且强度超过单层铁原子的100倍。②有很好的光学性质，它几乎是透明的，对光的吸收率27%。③具有超强的导电性，是目前已知导电性能最出色的材料。石墨烯中的电子具有类似相对论性电子的性质，电子的速度远小于光速，但其性质很像高速运动的电子，必须用相对论量子力学来描绘。④量子霍尔效应。半导体在极低温度下才具有这种效应，而石墨烯在室温下就会有这种奇特的性质。

应用：应用面很广，太阳能电池，传感器，纳米电子学，高性能纳米电子器件，气体传感器，半导体等。电子具有粒子性，又具有波动性，因而存在隧道效应，在制造半导体庥成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸在0.25um，目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。

7提高传统光学显微镜的方法和原理

光学显微镜图像的大小主要取决于光线的波长和显微镜的有限尺寸，其分辨率的提高受光波长和数值孔径等因素限制，可通过选择更短的波长、提高数值孔径，用折射率很高的材料等方法。①共聚焦：应用探测针孔去除非共焦平面荧光目标产生的荧光来改善图像反差。共聚焦显微镜的PSF与常规显微镜的是平方关系，分辨率的改善很高，为获得满意的图像，三维共聚焦技术需要使用高强度的激光从而导致染料漂白，对活生物样品产生毒性，加之结构复杂，价格昂贵，从而使应用在一定程度上受到了限制。②非线性光学方法（拉曼散射）：可用于检测极少量的荧光甚至是无标记物的样品。双光子成像利用超快激光脉冲与介质作用产生的倍频相干辐射作为图像信号来源。SHG一般为非共振过程。光子在样品中只发生非线性散射不被吸收故不会产生伴随的光化学过程，可减少对生物样品的损失。SHG成像不需要进行染色，可避免使用染料带来的毒性。因其对生物样品无损，测量或长时间动态观察显示出独特的应用价值，越来越受到生命科学研究领域的重视。

8SNOM扫描近场光学显微镜原理及应用

成像过程：激光通过光纤耦合器进入光纤探针，而光纤探针是固定在压电陶瓷音叉上通过外电压佝音叉在其共振频率下平行于样品表面振动，当探针和样品音叉的间距改变时，音叉振幅受样品表力作用发生改变，从而影响音叉电压，因此振幅变化引起的电压变化就能监控样品与探针的距离。探针没样品表面扫描的同时，利用反馈回路使探针与样品表面距离保持固定，回馈电信号的大小变化就反映了样品表面的高度变化，以此得到样品表面的形貌图。通过显微镜物镜收集，并由光电倍增管接收后，通过数据采集，输入计算机，就形成近场光学图像。

应用：染色体是遗传物质的载体，是脱氧核糖核酸以及核蛋白在细胞分裂时的呈现形式。SNOM能对直接标记的染色体高分辨成像，直接标记染色体，利用SNOM的形貌对染色体荧光原位杂交的两过程的形态和近场荧光激发进行比较。

9纳米材料制备过程、工艺。重点在：光刻工艺过程，特点，以及光刻胶的特点。

一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序。首先，通过金属化过程，在硅衬底上布置一层仅数纳米厚的金属层。然后在这层金属上覆上一层光刻胶。这层光阻剂在曝光（一般是紫外线）后可以被特定溶液（显影液）溶解。使特定的光波穿过光掩膜照射在光刻胶上，可以对光刻胶进行选择性照射（曝光）。然后使用前面提到的显影液，溶解掉被照射的区域，这样，光掩模上的图形就呈现在光刻胶上。通常还将通过烘干措施，改善剩余部分光刻胶的一些性质。

上述步骤完成后，就可以对衬底进行选择性的刻蚀或离子注入过程，未被溶解的光刻胶将保护衬底在这些过程中不被改变。刻蚀或离子注入完成后，将进行光刻的最后一步，即将光刻胶去除，以方便进行半导体器件制造的其他步骤。

硅片表面清洗烘干：a、除去表面的污染物（颗粒、有机物、工艺残余、可动离子）；b、除去水蒸气，使基底表面由亲水性变为憎水性，增强表面的黏附性

涂底，使表面具有疏水性，增强基底表面与光刻胶的黏附性。

旋涂光刻胶，决定光刻胶涂胶厚度的关键参数：光刻胶的黏度，黏度越低，光刻胶的厚度越薄；旋转速度，速度越快，厚度越薄；

软烘，除去溶剂（4～7%）；增强黏附性；释放光刻胶膜内的应力；防止光刻胶玷污设备；

对准曝光，曝光中最重要的两个参数是：曝光能量和焦距。接触式曝光，接近式曝光，投影式曝光

后烘，a、减少驻波效应；b、激发化学增强光刻胶的PAG产生的酸与光刻胶上的保护基团发生反应并移除基团使之能溶解于显影液。

光刻胶：正胶，曝光之后溶解性增加，是最常用的光刻胶。负胶，曝光后由于聚合作用光刻胶的分子量增加，溶解性降低。利用这种性能，将光刻胶作涂层，就能在硅片表面刻蚀所需的电路图形，基于感光树脂的化学结构，光刻胶可以分为三种类型。

①光聚合型，采用烯类单体，在光作用下生成自由基，自由基再进一步引发单体聚合，最后生成聚合物，具有形成正像的特点。

②光分解型，采用含有叠氮醌类化合物的材料，经光照后,会发生光分解反应,由油溶性变为水溶性，可以制成正性胶.

③光交联型，采用聚乙烯醇月桂酸酯等作为光敏材料,在光的作用下,其分子中的双键被打开，并使链与链之间发生交联，形成一种不溶性的网状结构，而起到抗蚀作用，这是一种典型的负性光刻胶。

光刻胶的技术参数a、分辨率b、对比度c、敏感度d、粘滞性/黏度e、粘附性f、抗蚀性g、表张力

10电磁材料的性质和应用

具有天然材料所不具备的超常的物理性质的人工复合材料或复合结构。具有三个重要特征：通常是具有新奇人工结构的复合材料；具有超常的物理性质（往往是自然界的材料所不具备的）；性质往往不主要决定于构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构，包括光子晶体、左手材料以及超磁性材料。

应用：超材料用于电磁波隐身，现有的隐身技术主要使用备吸波和透波材料，采用红外遮挡与衰减装置、涂敷红外掩饰涂料等实现对雷达的隐形。在可见光隐形上，只是靠涂抹迷彩等初级方法。不发光的物质可见是因为它的反射和散射的光线，超材料制造的兵器可以使光线或雷达波滑过物体散射出去，使得从正面接收不到反射的光线或微波，从而实现隐身。