表面等离激元
表面等离激元技术的研究及其应用
表面等离激元技术的研究及其应用表面等离激元（Surface plasmon）是一种在金属表面上发生的电磁波传播形式。
它是由金属中的自由电子通过共振相互作用而引起的。
在表面等离激元现象中，电磁波通过金属表面上的自由电子运动来传播，形成一种局域电磁波场。
近年来，表面等离激元技术被广泛应用于生物化学、物理学、光电学等领域中，发展迅速。
本篇文章将探讨表面等离激元技术的研究及其应用。
一、表面等离激元的研究表面等离激元的研究起源于19世纪末，当时研究人员注意到金属颗粒表面上的电场强度比体内电场强度大得多。
20世纪初，通过对金属的光电子研究，研究人员发现表面等离激元相当于金属表面上的局域振荡，这种振荡引发了电磁波的共振。
随着科学技术的发展，表面等离激元的研究也得到了进一步的深入。
20世纪中叶，科学家们开始在新材料、新技术、新装置等方面进行实验研究，以提高表面等离激元的性能和应用。
二、表面等离激元技术在生物化学中的应用1.表面等离激元技术在蛋白质分析中的应用表面等离激元技术可用于生物大分子的检测和分析。
例如在蛋白质研究中，可以将蛋白质样品吸附在金属表面上，然后通过表面等离激元的共振效应来测量蛋白质的折射率和吸收性。
2.表面等离激元技术在细胞成像中的应用通过表面等离激元技术，可以直接观察和检测生物细胞内的化学成分。
利用表面等离激元的高分辨率，可以对微生物和癌细胞的细胞膜进行成像，检测其组成和生理功能。
三、表面等离激元技术在物理学中的应用1.表面等离激元技术在太阳能电池中的应用太阳能电池的最大问题是其转换效率限制。
利用表面等离激元技术，可以设计出具有更高转换效率的太阳能电池。
在新型太阳能电池的研究中，利用表面等离激元的特性来提高太阳能电池的光吸收效率，从而提高电能产生能力。
2.表面等离激元技术在传感器中的应用表面等离激元技术在传感器中被广泛应用。
传感器通常用于溶解性分析、光谱学分析、气体检测、生物标记物检测和环保监测等，表面等离激元技术能够提供高分辨率和灵敏度，从而提高传感器的性能。
表面等离激元共振
表面等离激元共振
表面等离激元是物理学中的一种重要的现象。
它涉及到可见光、微波和亚电子能量谱等多
种物理过程，是多个科学学科的基础。
其原理是当外界空间电场强度为E时，固体解决空
间电场中分布式电荷，并创造出两个来自表面的浮动力。
因此，表面等离激元发出的能量，强度可以超过来自表面的电荷力的能量，从而形成表面等离激元共振。
表面等离激元是一种物理共振，其特点是使金属表面的电子能量能空间的电荷分布的变化，从而产生一种强大的可见光和微波作用，具有强大的光学性质，并可能使表面产生特殊的
力学性质。
它是金属表面反射、吸收特定光谱上的电磁波及半导体表面吸收特定光谱该过
程的基础。
表面等离激元非常之小，半径仅为0.1到0.4nm，它不仅小而且具有高自身稳
定能，能够在空间和表面电场发生强烈变化时维持其强度和稳定。
表面等离激元的最重要的应用之一是用作微纳加工装备的光源。
此外，在纳米技术的发展中，表面等离激元的应用也可更加深入。
例如，可以用它来制造可控的光子结构，这将有
助于研究光子的传输，并为设计高效的光子晶体和超细光纤提供基础。
此外，表面等离激元还可以应用于生物学、化学和药物学等领域。
首先，可以利用表面等
离激元“指纹”形成光学显微镜，可以精确观察微观尺度的生物学反应。
同时，由于表面
等离激元可以充当光子的靶位，所以它可以被用来研究光激发的化学反应和可靠的疗法，
从而更好地控制材料的表面性质，以此来改善医疗设备上的生物毒性。
总之，表面等离激元是一种重要的现象，可以深入到多个科学领域，为各种物理现象提供
基础，并形成重要的应用。
表面等离激元技术研究及其应用
表面等离激元技术研究及其应用表面等离激元技术是一种基于表面等离激元的物理过程和现象，利用银、金、铜等可导电金属表面的自由电子与电磁波相互作用形成的激元波，从而实现高灵敏的信号检测、传输和转换。
近年来，该技术在传感、生物医学、光电通信等领域得到了广泛的研究和应用。
一、表面等离激元技术的原理表面等离激元是一种集体激发行为，即在可导电表面上，自由电子在外加电场作用下与入射光场发生共振耦合，形成一种电磁波和电子的复合粒子，称为表面等离激元。
表面等离激元具有极强的场增强效应和易于激发、调控的特点，其电磁波和电子相互作用的强度和尺度均在纳米级别，因此具有高灵敏度和局域性。
二、表面等离激元技术的研究进展表面等离激元技术是一种新兴的研究领域，在传感、生物医学、光电通信等领域具有广泛的应用前景。
近年来，国内外的研究机构和企业纷纷涉足表面等离激元技术的研究和应用，不断推动着该技术的发展。
在传感领域，表面等离激元技术已被广泛应用于化学、生物、环境等各类传感器中。
利用表面等离激元传感器可以实现对微量分子、细胞和微生物的高灵敏检测，具有检测速度快、选择性高、灵敏度高等优点。
例如，利用表面等离激元技术开发的呼吸道病原体检测系统，可以在短时间内对呼吸道病原体进行检测，具有高效、准确的特点。
在生物医学领域，表面等离激元技术已被应用于分子诊断、细胞成像、药物筛选等方面。
其高灵敏度和局域性可以实现对生物分子和细胞的高分辨率成像，在癌症早期诊断和治疗、细胞生物学研究等方面具有广阔的应用前景。
在光电通信领域，表面等离激元技术正在被广泛应用于光通信器件和系统中。
利用表面等离激元波导、光学调制器等器件，可以实现高速、高带宽的光通信传输。
同时，表面等离激元技术还可以实现光信号的调制、放大和转换，为光通信系统的发展提供了新的方向和思路。
三、表面等离激元技术的应用前景表面等离激元技术具有广泛的应用前景，在未来的传感、生物医学、光电通信等领域将继续发挥重要作用。
表面等离激元共振原理
表面等离激元共振原理
表面等离激元共振是一种在表面等离激元中发生共振现象的物理现象。
表面等离激元是一种在金属和介质界面上产生的电磁波模式，它是金属中的自由电子与光子之间的耦合模式。
表面等离激元共振原理可以通过以下步骤进行解释：
1. 当电磁波入射到金属-介质界面时，部分能量会被金属吸收，而另一部分能量会被反射。
2. 当入射角度和波长满足一定的条件时，进入金属表面的光子能够与自由电子耦合形成表面等离激元。
这些电子和光子之间的耦合形成了新的电磁波模式，即表面等离激元。
3. 表面等离激元的形成导致了共振现象，即当入射角度和波长符合表面等离激元的共振条件时，能量将得到最大的能量传递。
4. 共振产生的电磁波能够在金属表面上传播，形成波浪或驻波模式，具有较高的局部电场强度。
表面等离激元共振具有很多重要的应用，包括传感器、光学器件、太阳能电池等领域。
通过调控和利用表面等离激元共振现象，可以实现更高效的能量传输、灵敏的传感器探测以及更高分辨率的成像等。
表面等离激元
3
整理课件
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等离激元：起源于电子间的长程库伦相互作用
ee--
ee--
微观尺度上电子密度的起伏：电子气体相对于正离子背景的集体振荡 !
纳米颗粒中的电子气的集体振荡
类比例子：容器中水波的振荡
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等离激元的经典描述
设电子气相对与正电背景的位移为x，则产生的电场为：
Enex/0
作用在每个电子上的恢复力为-eE，电子气的运动方程为：
对于实际情况的金属，其介电函数还存在虚数项：
11(p2i)1r i1i
qqr
iqi
c1122
1/2
由：
可知：表面等离激元沿着表面方向的传播是衰减的。
对于： 1 r 0 , 1 r 1 , 1 r 1 i,2 1
1/ 2
qr
c
1r1r 1
定义传播长度：Li (2qi)1
qi
c 1r1r 13/2
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s-d相互极化模型对Surface Plasmon色散曲线线性系数的解释
zd= 0 Å , Re d⊥(ωs) = 1 a.u. , Re d// = 0 zd= -0.8 Å , Re d⊥(ωs) = -0.77 a.u. , Re d// = 3.17 a.u.
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➢ 在 Q=0, Surface plasmon的经典理论给出正确的 振荡频率：ωs*(0)。
第五课:
表面等离激元
整理课件
1
主要内容
体等离激元回顾 表面等离激元简介 表面等离激元的经典描述
✓ Retarded regime ✓ Non-retarded regime
表面等离激元的微观描述 表面等离激元的杂化理论 表面等离激元的激发和探测
局域表面等离激元
局域表面等离激元局域表面等离激元（SurfacePlasmonPolaritons，简称SPPs）是由金属表面产生的精细结构表面电磁波。
这种波是在金属表面发生的激元现象。
它是由表面等离激元（SP）以及其周围构成的非等同介质分量构成的复合角动量，具有半导体光学（SP）以及磁激子（MP）的共同特征。
SPP由金属和介质的界面所决定，它的特性是由金属的折射率和介质的折射率和介质的诸多物理特性决定的。
SPP在金属表面的界面处做一种类似电磁波的波，可以传播一定的距离，其能量也随着传播距离的减小而减小。
SPP的波长随着入射光的频率和金属的折射率而变化。
SPP的传播距离受制于衰减率，入射光频率越低，衰减率越小，传播距离越长。
SPP具有高度的导电性和磁导性，令它保持了极强的电磁耦合协议。
它的传输受到折射率的影响，具有较强的隔离效果，可有效抵御外界干扰。
SPP可以将可见光谱和红外光谱转化为特定频率，频率受到入射频率和金属表面的参数影响。
由于SPP具有宽频带、高速传输、高灵敏度等特性，它在光通信、抗干扰性检测、光学器件等领域被广泛应用。
例如，SPP光学元件用来缩小范围，减少发射光的浪费，加强发射光的强度；SPP光纤衍射器可用来构建高速通信系统；SPP仪器用来检测电磁波或光信号，是一种新型的抗干扰检测系统；SPP也可以用来检测微纳米对象的尺寸和形状，是一种新型的超分辨率技术。
此外，SPP在生物医学领域也有着广泛的应用，它可以用来诊断和监测肿瘤细胞、调节体外膜的结合效率等。
SPP可以将特定的光谱转换成特定的波长与频率，从而实现超灵敏的检测和操纵细胞。
综上所述，局域表面等离激元以其独特的传输特性，在光通信、生物医学、抗干扰性检测等多个领域应用广泛。
它与金属表面发生的物理现象有关，其受到入射光频率以及金属表面参数的影响，具有高度的导电性和磁导性，保持了极强的电磁耦合协议。
表面等离激元
表面等离激元表面等离激元(surface plasmon，SP)是金属和介质界面区域的一种自由电子和光子相互作用形成的电磁模。
这一概念在1957年由Huffman等首次提出，他认为金属中自由电子被外加电磁场激发后，会在正离子的背景下进行量子化的振荡即等离激元。
这一现象由Powell 等于1959年在一个金属铝的实验中首次证实。
定义：当光波(电磁波)入射到金属与电介质分界面时，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。
应用：随着表面等离激元理论研究的深入以及各种结构的器件的成功制作，其在光学各领域应用具有巨大的潜力，尤其在解决了一些以往光学长期不能解决的问题，其中包括金属亚波长结构的增透效应在超分辨率纳米光刻、高密度数据存储、近场光学等领域的应用。
表面等离激元在光刻中的应用在光刻技术中，由于存在衍射极限，无法用普通的掩模在可见光波段曝光得到小的结构，在实际工艺中，为了克服衍射极限，一般采用移相掩模技术、离轴照明术、邻近效应矫正等技术。
但实现的工艺都比较复杂。
支持SPPs的金属掩模就可很容易的克服衍射极限，达到亚波长分辨率。
远场光学透镜成像当倏逝波通过一个特制的金属层时，由于亚波长结构的表面等离子的耦合共振激发，将在后面继续传播下去。
再通过探测器探测，获得被观测物的细节信息。
这种方法提高了点对点成像技术。
但这不是一个严格意义上的远场成像系统，因为亚波长的金属层仍然需处在被观测物体的近场范围内。
负折射及成像器件利用银膜可以实现负折射，并进一步实现成像，其中特点有:(1)负折射率材料与周围介质折射率匹配，表面没有反射;(2)物像之间的距离是透镜厚度的两倍;(3)透镜没有光轴，为平板成像;(4)突破衍射极限，实现超分辨成像。
表面等离激元金属圆盘阵列二维材料
表面等离激元金属圆盘阵列二维材料一、啥是表面等离激元呢？这可是个超级有趣的概念哦。
想象一下，在金属表面，电子们就像是一群调皮的小精灵，当有光照射到金属表面的时候，这些小精灵就会集体兴奋起来，形成一种特殊的电磁振荡现象，这就是表面等离激元啦。
它就像是金属表面的一场独特的狂欢派对，光和电子在那里欢快地互动着。
二、那金属圆盘阵列又是怎么回事呢？这就像是把好多好多金属圆盘按照一定的规律排列起来。
这些圆盘就像是一个个小士兵，整整齐齐地站在那里。
当表面等离激元在这些圆盘上发生的时候，又会有一些特别的事情出现哦。
因为这些圆盘的形状、大小以及它们之间的距离等因素都会影响表面等离激元的行为。
比如说，如果圆盘之间的距离变小了，那表面等离激元的振荡可能就会变得更加剧烈，就像一群挤在一起的小精灵更加疯狂地跳动一样。
三、再来说说二维材料吧。
二维材料可是材料界的新宠儿呢。
它们薄得就像一张纸，只有几个原子层的厚度。
像石墨烯就是很著名的二维材料啦。
当把表面等离激元金属圆盘阵列和二维材料结合在一起的时候，那简直就是开启了一个全新的世界。
二维材料的特殊性质会和表面等离激元金属圆盘阵列的特性相互影响。
比如说，二维材料可能会改变表面等离激元的传播方向或者增强它的某些特性。
这就好比是两个有着不同超能力的小伙伴走到了一起，然后互相分享自己的超能力，变得更加强大。
四、这种组合在很多方面都有着巨大的潜力呢。
在光学领域，可能会产生一些全新的光学现象，就像发现了一种新的彩虹一样神奇。
在电子学方面，也许能制造出更加高效的电子元件，让我们的电子产品变得更加小巧、更加智能。
而且在传感器领域，也可能会有突破性的进展。
比如说，可以制造出能够检测到极其微小物质的传感器，就像给科学家们装上了一双超级敏锐的眼睛一样。
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1.表面等离激元(SPP)的定义、性质及激发方式。
表面等离激元（SPPs）定义为自由电子与电磁场相互作用产生的沿金属表面传播的电子疏密波。
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.棱镜耦合Kretschamann与Otto结构2.光栅(金属表面缺陷)耦合k//=k0sinq±Nkg= kspp 3.波导模耦合4.强聚焦光束(SNOM)
2.理解并掌握金属电介质SPP色散关系的物理意义。
3.选择一种SPP的应用简述原理。
4.光子晶体的基本概念、定义、特性、带隙成因及其与电子材料的区别。
光子晶体是指具有光子带隙（PhotonicBand-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构。
由于介电常数存在空间上的周期性，进而引起空间折射率的周期变化。
当介电系数的变化足够大且变化周期与光波长相当时，光波的色散关系会出现带状结构，介电常数周期性排列的方向并不等同于带隙出现的方向，在一维光子晶体和二维光子晶体中，也有可能出现全方位的三维带隙结构。
特性:1.抑制自发辐射，带隙中态密度为零，自发辐射几率也就为零，这也就抑制了自发辐射。
2.光子局域化，当光子晶体原有的对称性遭到破坏时，即有了缺陷，在光子晶体中禁带中就可能出现频宽极窄的缺陷态或局域态，与缺陷态频率符合的光子会被局限在缺陷位置，而不能向空间传播。
带隙成因:电磁波在周期性电介质材料中传播时，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。
电子材料: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，会形成能带结构，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。
电子材料是通过周期性的晶体结构从而产生周期性势垒，按照薛定谔方程形成带隙。
电磁波是通过周期性的介电常数，按照麦克斯韦方程形成光子带隙。
5.掌握微腔的品质因数(Q)，精细度，自由谱密度的定义、相关推倒及物理意义。
6.量子点与石墨烯的基本概念特点及应用。
量子点是由少量原子所构成的体积很小的固体材料，量子点的尺寸一般在100纳米以下，外观恰似一极小的点状物，其内部电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电子能级结构，因此量子点又被称为“人造原子”。
特点:(1)量子点的激发光波长范围很宽，这使得单个波长可激发所有的量子点，用同一激发光源即可实现多通道检测。
(2)可以通过调整量子点的尺寸来得到不同的荧光发射，无需改变粒子的组成和表面性质，利用同一种材料即可实现多色标记。
(3)量子点具有较大的斯托克斯位移和狭窄对称的荧光谱峰，所标记的生物分子的荧光光谱易于区分和识别。
(4)量子点比较稳定，荧光光谱几乎不受周围环境(如溶剂、pH值、温度等)的影响。
(5)生物相容性好。
(6)量子点的荧光寿命长。
应用:(1)量子点材料在发光、激光器、生物及医学等领域具有十分广阔的应用前景。
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，因而可用来制作高效率发光元器件。
(2)量子点激光器，优点:阈值电流密度远远低于传统激光器和量子阱激光器。
(3)在生物和医学上的应用。
石墨烯(Graphene)是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，其碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一个碳原子厚度的二维材料。
特点:石墨烯具有(1)特殊的力学性质，它比钻石还坚硬，当片状物足够大之后，结构是稳定的。
(2)很好的光学性质，它几乎是透明的，对光的吸收率只有2.3%，恰好是精细结构常数乘以 。
(3)
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，也就是说，电子的速度虽然远远小于光速，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，半导体在极低温下才具有这种效应，而石墨烯在室温下就会有这种奇特的效应。
应用:单分子气体侦测；集成电路，石墨烯具有高的载流子迁移率，具备作为优秀的集成电路电子器件的理想性质；石墨烯晶体管，石墨烯较大的费米速度和低接触电阻则有助于进一步减小器件开关时间，超高频率的操作响应特性是石墨烯基电子器件的另一显著优势；石墨烯生物器件，由于石墨烯的可修改化学功能、大接触面积、原子尺吋厚度、分子闸极结构等等特色，故可应用于细菌侦测与诊断器件。
7.掌握提高传统光学显微镜分辨率的方法、原理。
8.掌握SNOM的工作原理与应用。
9.至少掌握一种纳米材料的制备，光刻过程的分类及特点以及正负光刻胶的特点。
10.电磁超材料(Metamaterial)的性质及应用。