等离子激元半导体

等离激元半导体将为电子学带来革命性的改变2011年4月25日

9:38:04 来源:网络作者：===

摘要：在此之前的等离激元器件都只以介于金属和绝缘体(电介质)之间的界面为基础制作。但根据伯克利实验室的这项新的研究成果称，许多常见的半导体也可通过工艺加工而可以传输等离子体。该实验室的报告中也称，在掺杂空穴的半导体纳米晶体——量子点中，实现了表面等离子体共振。

关键字：等离激元, 光量子, 电子, 耦合, L ED

据美国能源部(DOE)下属机构劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的研究人员表示，等离激元(Plasmonic)半导体有望使光量子和电子的耦合变得容易，这将为电子学带来革命性的改变。

等离子体(Plasmon)是一对自由电子结合成为准粒子进入波表面传播时的波峰，可使这对自由电子的频率与附带的光量子频率匹配，从而使电子等离子和光量子形成谐振而耦合。如果由伯克利实验室预测的这种局部表面等离子体实现共振的话，就可以实现电子互连中的信号传播速度加速到光速，用于激光和传感器的片上透镜，新一代超高效等离激元LED，新一代超灵敏度生化探测器，以及可弯曲周围物体光路的特异材料。这种超材料可以用来制成隐形斗篷(电子工程专辑版权所有，谢绝转载)。

在此之前的等离激元器件都只以介于金属和绝缘体(电介质)之间的界面为基础制作。但根据伯克利实验室的这项新的研究成果称，许多常见的半导体也可通过工艺加工而可以传输等离子体。该实验室的报告中也称，在掺杂空穴的半导体纳米晶体——量子点中，实现了表面等离子体共振。

“掺杂半导体量子点开启了量子—电子强耦合性质为了应用的可能性，这对光捕获、非线性光学和量子信息处理都将产生影响。”伯克利实验室负责人Paul Alivisatos说。

透射电子显微镜图片展示了三个量子点的样本，平均尺寸为 a.2.4nm，b.3.6 nm，c.5.8nm

注：

传统光子学元件的尺寸往往限制在微米以上，但能工作在上百太赫兹(10～12 Hz)的频率，运行速度极快;而微电子元件的尺寸已能缩小到几十纳米，却最高只能工作在吉赫兹(10～9 Hz)频率，运行速度相对较慢。如果能将光子线路整合到微电子线路中，将有可能大大提高传统微电子芯片的处理速度。但是，光子学元件和微电子元件的尺寸差距极大地妨碍了它们的整合，从而阻碍了利用光子学元件提高微电子线路运行速度的可能。正因为此，基于表面等离激元的纳米光子集成线路成为了解决这个尺寸匹配问题的关键因素。为了实现表面等离激元纳米光子集成线路，我们需要那些与基本的微电子元件相对应的表面等离激元元件。到目前为止，这方面的突破性工作都集中在被动型表面等离激元元件，例如等离激元波导，谐振器和耦合器。而关于主动型表面等离激元元件的研究却十分有限，例如表面等离激元调制器和开关。

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

半导体封装技术向高端演进 (从DIP、SOP、QFP、PGA、BGA到CSP再到SIP)

半导体器件有许多封装形式，按封装的外形、尺寸、结构分类可分为引脚插入型、表面贴装型和高级封装三类。从DIP、SOP、QFP、PGA、BGA到CSP再到SIP，技术指标一代比一代先进。总体说来，半导体封装经历了三次重大革新：第一次是在上世纪80年代从引脚插入式封装到表面贴片封装，它极大地提高了印刷电路板上的组装密度；第二次是在上世纪90年代球型矩阵封装的出现，满足了市场对高引脚的需求，改善了半导体器件的性能；芯片级封装、系统封装等是现在第三次革新的产物，其目的就是将封装面积减到最小。高级封装实现封装面积最小化芯片级封装CSP。几年之前封装本体面积与芯片面积之比通常都是几倍到几十倍，但近几年来有些公司在BGA、TSOP的基础上加以改进而使得封装本体面积与芯片面积之比逐步减小到接近1的水平，所以就在原来的封装名称下冠以芯片级封装以用来区别以前的封装。就目前来看，人们对芯片级封装还没有一个统一的定义，有的公司将封装本体面积与芯片面积之比小于2的定为CSP，而有的公司将封装本体面积与芯片面积之比小于1.4或1.2的定为CSP。目前开发应用最为广泛的是FBGA和QFN等，主要用于内存和逻辑器件。就目前来看，CSP的引脚数还不可能太多，从几十到一百多。这种高密度、小巧、扁薄的封装非常适用于设计小巧的掌上型消费类电子装置。 CSP封装具有以下特点：解决了IC裸芯片不能进行交流参数测试和老化筛选的问题；封装面积缩小到BGA的1/4至1/10；延迟时间缩到极短；CSP封装的内存颗粒不仅可以通过PCB板散热，还可以从背

面散热，且散热效率良好。就封装形式而言，它属于已有封装形式的派生品，因此可直接按照现有封装形式分为四类：框架封装形式、硬质基板封装形式、软质基板封装形式和芯片级封装。多芯片模块MCM。20世纪80年代初发源于美国，为解决单一芯片封装集成度低和功能不够完善的问题，把多个高集成度、高性能、高可靠性的芯片，在高密度多层互联基板上组成多种多样的电子模块系统，从而出现多芯片模块系统。它是把多块裸露的IC芯片安装在一块多层高密度互连衬底上，并组装在同一个封装中。它和CSP封装一样属于已有封装形式的派生品。多芯片模块具有以下特点：封装密度更高，电性能更好，与等效的单芯片封装相比体积更小。如果采用传统的单个芯片封装的形式分别焊接在印刷电路板上，则芯片之间布线引起的信号传输延迟就显得非常严重，尤其是在高频电路中，而此封装最大的优点就是缩短芯片之间的布线长度，从而达到缩短延迟时间、易于实现模块高速化的目的。 WLCSP。此封装不同于传统的先切割晶圆，再组装测试的做法，而是先在整片晶圆上进行封装和测试，然后再切割。它有着更明显的优势：首先是工艺大大优化，晶圆直接进入封装工序，而传统工艺在封装之前还要对晶圆进行切割、分类；所有集成电路一次封装，刻印工作直接在晶圆上进行，设备测试一次完成，有别于传统组装工艺；生产周期和成本大幅下降，芯片所需引脚数减少，提高了集成度；引脚产生的电磁干扰几乎被消除，采用此封装的内存可以支持到800MHz的频

(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 ，

半导体器件有许多封装形式

MSOP 是一种微型的SOP封装半导体器件有许多封装形式，按封装的外形、尺寸、结构分类可分为引脚插入型、表面贴装型和高级封装三类。从DIP、SOP、QFP、PGA、BGA到CSP再到SIP，技术指标一代比一代先进。总体说来，半导体封装经历了三次重大革新：第一次是在上世纪80年代从引脚插入式封装到表面贴片封装，它极大地提高了印刷电路板上的组装密度；第二次是在上世纪90年代球型矩阵封装的出现，满足了市场对高引脚的需求，改善了半导体器件的性能；芯片级封装、系统封装等是现在第三次革新的产物，其目的就是将封装面积减到最小。高级封装实现封装面积最小化芯片级封装CSP。几年之前封装本体面积与芯片面积之比通常都是几倍到几十倍，但近几年来有些公司在BGA、TSOP的基础上加以改进而使得封装本体面积与芯片面积之比逐步减小到接近1的水平，所以就在原来的封装名称下冠以芯片级封装以用来区别以前的封装。就目前来看，人们对芯片级封装还没有一个统一的定义，有的公司将封装本体面积与芯片面积之比小于2的定为CSP，而有的公司将封装本体面积与芯片面积之比小于1.4或1.2的定为CSP。目前开发应用最为广泛的是FBGA和QFN等，主要用于内存和逻辑器件。就目前来看，CSP的引脚数还不可能太多，从几十到一百多。这种高密度、小巧、扁薄的封装非常适用于设计小巧的掌上型消费类电子装置。 CSP封装具有以下特点：解决了IC裸芯片不能进行交流参数测试和老化筛选的问题；封装面积缩小到BGA的1/4至1/10；延迟时间缩到极短；CSP封装的内存颗粒不仅可以通过PCB板散热，还可以从背面散热，且散热效率良好。就封装形式而言，它属于已有封装形式的派生品，因此可直接按照现有封装形式分为四类：框架封装形式、硬质基板封装形式、软质基板封装形式和芯片级封装。多芯片模块MCM。20世纪80年代初发源于美国，为解决单一芯片封装集成度低和功能不够完善的问题，把多个高集成度、高性能、高可靠性的芯片，在高密度多层互联基板上组成多种多样的电子模块系统，从而出现多芯片模块系统。它是把多块裸露的IC芯片安装在一块多层高密度互连衬底上，并组装在同一个封装中。它和CSP封装一样属于已有封装形式的派生品。多芯片模块具有以下特点：封装密度更高，电性能更好，与等效的单芯片封装相比体积更小。如果采用传统的单个芯片封装的形式分别焊接在印刷电路板上，则芯片之间布线引起的信号传输延迟就显得非常严重，尤其是在高频电路中，而此封装最大的优点就是缩短芯片之间的布线长度，从而达到缩短延迟时间、易于实现模块高速化的目的。 WLCSP。此封装不同于传统的先切割晶圆，再组装测试的做法，而是先在整片晶圆上进行封装和测试，然后再切割。它有着更明显的优

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。

半导体器件封装概述

1 半导体器件封装概述电子产品是由半导体器件(集成电路和分立器件)、印刷线路板、导线、整机框架、外壳及显示等部分组成，其中集成电路是用来处理和控制信号，分立器件通常是信号放大，印刷线路板和导线是用来连接信号，整机框架外壳是起支撑和保护作用，显示部分是作为与人沟通的接口。所以说半导体器件是电子产品的主要和重要组成部分，在电子工业有“工业之米"的美称。我国在上世纪60年代自行研制和生产了第一台计算机，其占用面积大约为100 m2以上，现在的便携式计算机只有书包大小，而将来的计算机可能只与钢笔一样大小或更小。计算机体积的这种迅速缩小而其功能越来越强大就是半导体科技发展的一个很好的佐证，其功劳主要归结于：(1)半导体芯片集成度的大幅度提高和晶圆制造(Wafer fabrication)中光刻精度的提高，使得芯片的功能日益强大而尺寸反而更小；(2)半导体封装技术的提高从而大大地提高了印刷线路板上集成电路的密集度，使得电子产品的体积大幅度地降低。半导体组装技术(Assembly technology)的提高主要体现在它的封装型式(Package)不断发展。通常所指的组装(Assembly)可定义为：利用膜技术及微细连接技术将半导体芯片(Chip)和框架(Leadframe)或基板(Sulbstrate)或塑料薄片(Film)或印刷线路板中的导体部分连接以便引出接线引脚，并通过可塑性绝缘介质灌封固定，构成整体立体结构的工艺技术。它具有电路连接，物理支撑和保护，外场屏蔽，应力缓冲，散热，尺寸过度和标准化的作用。从三极管时代的插入式封装以及20世纪80年代的表面贴装式封装，发展到现在的模块封装，系统封装等等，前人已经研究出很多封装形式，每一种新封装形式都有可能要用到新材料，新工艺或新设备。驱动半导体封装形式不断发展的动力是其价格和性能。电子市场的最终客户可分为3类：家庭用户、工业用户和国家用户。家庭用户最大的特点是价格便宜而性能要求不高；国家用户要求高性能而价格通常是普通用户的几十倍甚至几千倍，主要用在军事和航天等方面；工业用户通常是价格和性能都介于以上两者之间。低价格要求在原有的基础上降低成本，这样材料用得越少越好，一次性产出越大越好。高性能要求产品寿命长，能耐高低温及高湿度等恶劣环境。半导体生产厂家时时刻刻都想方设法降低成本和提高性能，当然也有其它的因素如环保要求和专利问题迫使他们改变封装型式。 2 封装的作用封装(Package)对于芯片来说是必须的，也是至关重要的。封装也可以说是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着保护芯片和增强导热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁和规格通用功能的作用。封装的主要作用有： (1)物理保护。因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降，保护芯片表面以及连接引线等，使相当柔嫩的芯片在电气或热物理等方面免受外力损害及外部环境的影响；同时通过封装使芯片的热膨胀系数与框架或基板的热膨胀系数相匹配，这样就能缓解由于热等外部环境的变化而产生的应力以及由于芯片发热而产生的应力，从而可防止芯片损坏失效。基于散热的要求，封装越薄越好，当芯片功耗大于2W时，在封装上需要增加散热片或热沉片，以增强其散热冷却功能；5～1OW 时必须采取强制冷却手段。另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。 (2)电气连接。封装的尺寸调整(间距变换)功能可由芯片的极细引线间距，调整到实装基板的尺寸间距，从而便于实装操作。例如从以亚微米(目前已达到0．1 3μm以下)为特征尺寸的芯片，到以10μm为单位的芯片焊点，再到以100μm为单位的外部引脚，最后剑以毫米为单位的印刷电路板，都是通过封装米实

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]。

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

表面等离子激元在石墨烯上的基础性质和物理浅析

表面等离子激元在石墨烯上的基础性质和物理浅析摘要：表面等离子激元在石墨烯有许多有趣的基础性质和存在巨大的潜在应用。它们可以再亚波长范围内很好的限制电磁场的能量，并且可以通过栅极电压调控。它们的频率可以从太赫兹跨度到红外甚至到可见光范围。这是对现有石墨烯等离激元知识的一个综述，其中特殊强调了等离子体光学损失和不同衰减通道的比较，这些都是现在还没有完全搞清楚的。最后我们会概述石墨烯等离激元元的潜在应用。 1、简介近些年，平面波导和光子晶体技术取得了很大的进展，打开了通往制造新型的、更有效率的、小型化的光学器件的道路。光可以在成千上万太赫兹的频率上传播，伴随着大的带宽和低损耗，因此现有的在千兆赫兹频率上运行的光限制了电子设备的发展。然而对于光学器件小型化的限制来自于衍射极限的限制。为了使光学器件突破这种极限从而制造一种纳米光子器件，使它能在大宽带近红外或者可见光下运行，需要在衍射极限先对电磁场进行很好的调控。一条可能是唯一的能制备纳米光学器件的途径是等离子激元的激发，这也是正在兴起的研究领域：等离子体光子学。实际上，根据系统的形态和维度可以有很多种等离激元激发。体状的等离激元是导体内电子的集体激发，然而它们并不是光子学的研究对象。等离子体光子学是建立在表面等离子激元极化子——电磁波受限于导体—电介质界面间上的。这种波长比在空气中的同种频率的波长要短得多，这使在纳米范围内调控光成为可能，也就打破了衍射极限。然而，现今很没有找到一个很好的能够限制电磁能并且低能损的等离激元材料。石墨烯拥有特殊的电学、光学、机械性质，使得石墨烯等离激元有大量的研究。石墨烯是一层2维的蜂窝状排列的碳碳原子层。它可以通过外部的栅极电压来控制电子和空穴的多少，这是一个很吸引人的光学特性。石墨烯的表面等离子激元吸引了众多的关注。一个主要的原因是石墨烯的一些性质，例如分散性和电子—空穴对激发的内带损耗可以通过外部栅极电压调控。石墨烯上表面等离子激元效应存在的实验证据最先来自电子能量损失谱。用

等离子激元共振讲义

表面等离激元共振法测液体折射率实验实验目的： 1、了解全反射中倏逝波的概念 2、观察表面等离激元共振现象，研究其共振角随折射率的变化 3、进一步熟悉和了解分光计的调节和使用 4、了解和掌握共振角测量的方法，以及计算折射率的原理和方法实验简介：早在1902年Wood就在光学实验中首次发现了表面等离激元共振（Surface Plasmon Resonance,SPR）现象，1941年Fano根据金属和空气界面上电磁波的激发解释了这一SPR现象，随后就提出了体积等离子体子（激元）的概念，认为这是金属中体积电子密度的一种纵向波动。Ritchie注意到当高能电子通过金属薄片时，不仅在体积等离子体子频率处有能量损失峰，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Powell和Swan通过实验验证了Ritchie理论。1960年Stern和Farrell研究了此种模式产生共振的条件并首次提出了表面等离子体子（SP）的概念。1971年Kretschmann为SPR传感器结构技术奠定了基础,1983年Liedburg将SPR用于IgG与其抗原的反应测定，1987年Knoll等人开始了SPR成像的研究，1990年Biocare AB公司开发出首台商品化SPR仪器。表面等离激元共振技术终于在20世纪90年代成功发展起来，成为应用SPR原理检测生物传感芯片上配位体与分析物作用的一种新技术。表面等离激元共振是一种能够适合探测金属表面的分子相互作用的量子光电现象。理论上，一个表面全内部反射的光诱发从表面延伸的倏逝波，平行于正常的波。这个倏逝场是由于光的波性质和强度随着表面距离增加而呈指数递增。在波导/金属表面相交处，从波导延伸的倏逝场能够以具体的入射角耦合到电磁表面波，这个角称为表面等离激元共振（SPR）角。在这个角，光能量能够转换到传导金属膜片，因为共振频率是一样的，因此创建了一个表面等离激元。因为能量被吸收了，光的反射强度显示了在表面等离激元共振（SPR）发生的角的地方下降。倏逝场起着表面的探测杆作用，因为表面等离激元共振（SPR）角对于折射率的变化相当敏感。表面等离激元共振（SPR）角的转换因此用于探测表面

等离子激元半导体

等离激元半导体将为电子学带来革命性的改变2011年4月25日 9:38:04 来源:网络作者：=== 摘要：在此之前的等离激元器件都只以介于金属和绝缘体(电介质)之间的界面为基础制作。但根据伯克利实验室的这项新的研究成果称，许多常见的半导体也可通过工艺加工而可以传输等离子体。该实验室的报告中也称，在掺杂空穴的半导体纳米晶体——量子点中，实现了表面等离子体共振。关键字：等离激元, 光量子, 电子, 耦合, L ED 据美国能源部(DOE)下属机构劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的研究人员表示，等离激元(Plasmonic)半导体有望使光量子和电子的耦合变得容易，这将为电子学带来革命性的改变。等离子体(Plasmon)是一对自由电子结合成为准粒子进入波表面传播时的波峰，可使这对自由电子的频率与附带的光量子频率匹配，从而使电子等离子和光量子形成谐振而耦合。如果由伯克利实验室预测的这种局部表面等离子体实现共振的话，就可以实现电子互连中的信号传播速度加速到光速，用于激光和传感器的片上透镜，新一代超高效等离激元LED，新一代超灵敏度生化探测器，以及可弯曲周围物体光路的特异材料。这种超材料可以用来制成隐形斗篷(电子工程专辑版权所有，谢绝转载)。在此之前的等离激元器件都只以介于金属和绝缘体(电介质)之间的界面为基础制作。但根据伯克利实验室的这项新的研究成果称，许多常见的半导体也可通过工艺加工而可以传输等离子体。该实验室的报告中也称，在掺杂空穴的半导体纳米晶体——量子点中，实现了表面等离子体共振。 “掺杂半导体量子点开启了量子—电子强耦合性质为了应用的可能性，这对光捕获、非线性光学和量子信息处理都将产生影响。”伯克利实验室负责人Paul Alivisatos说。通过空穴掺杂铜硫P型载流子的量子约束效应来调节电子性质，使表面等离子体共振的频率在近红外波段。研究人员表示，量子和电子之间的强耦合模式，可以用于极大地提高太阳能光伏和人工光合作用的光激发作用。下一步，研究小组将用铜硒和锗(原文为quermanium)碲化物半导体试验，并分别测量用该材料制造的太阳能电池和存储器件的预期增值(电子工程专辑版权所有，谢绝转载)。透射电子显微镜图片展示了三个量子点的样本，平均尺寸为 a.2.4nm，b.3.6 nm，c.5.8nm 注：

物理学研究进展-表面等离激元篇

物理学研究进展表面等离子体共振技术及其应用表面等离子波SPW (surface plasmon wave)也译为表面等离子激元或表面电磁波,是沿金属和介质界面传播的表面电磁波.在一定条件下,SPW可与入射光TM(横磁波)极化能量耦合并被共振激发,这种现象称为表面等离子体共振SPR (surface plas2ma resonance).20世纪70年代初, Otto和Kretschmann等人的著名工作引起了SPR技术的研究热潮[1,2].此后SPR技术迅速发展起来,并在多个学科领域得到应用,如生化传感器、物理特性测量仪器、光波导偏振器、表面非线性光学检测、表面膜层特性研究等.本文介绍国内外SPR技术的一些最新应用. 1 表面等离子体共振技术简介只有在一定的配置下,空间传播的光才能与SPW发生耦合,图1是三种SPR配置方式.Otto型和Kretschmann型都是利用全内反射形成的隐逝波.Otto型金属和全内反射表面之间有约几十纳米的介质间隙,金属可以是半无限宽的.这种配置的应用较少.Kretschmann型采用真空蒸镀,磁控溅射等方法直接在全内反射表面镀一层几十纳米厚的金属膜,是应用最为广泛的配置形式.在两种隐逝波耦合方式中,入射光必须为p偏振光,因为只有p偏振光有垂直于金属-介质界面的电场分量. 散射光栅型配置方式的数学形式十分复杂,结构相对简单.其耦合器件是表面为金属镀膜的光栅.此外,入射到粗糙金属表面的光也可与S P W发生耦合. 设入射光角频率为ω,入射角为θ,介质介电常数为εd,则x方向上的波矢k x 为: 根据Maxwell方程,可以推导出SPW波矢ksp: 式中εM 为金属介电常数的实部,ε a 为金属表面电介质的介电常数,当k x = ksp 时,就产生共振,共振角为: 产生SPR时,SPW可增强几百倍,因此SPR具有显著的表面增强效应.此外,SPR对金属膜表面介质的光学特性、入射角、入射光的波长和偏振状态、金属膜及其表面介质的厚度等因素十分敏感,这些性质使SPR现象能在许多方面得到应用. 2 SPR传感器生化传感器已经广泛应用于高灵敏度生化检测[3].1983年, Liedberg等人首次将SPR 技术应用于生化传感器以来,在这一领域国内外每年都有大量论文发表[4].Biacore AB 公司率先开发出首台商品化SPR仪器,现已有数家国外公司出售此类产品,这个产业每年的产值达几十亿美元. 这种传感器的原理基于SPR 对金属表面介质折射率变化的敏感特性.图2是商业型的SPR传感器的一般结构.对于棱镜型SPR 传感器,一般选择折射率较高的光学材料作棱镜.棱镜的形状可以是等腰直角三角形或半球形,其中半球形棱镜最