表面電漿光子學（Plasmonics）是將表面電漿技術套用到光子學領域而發展出來的一門新的學科，它是構成納米光子學的最重要部分。
基本介紹
- 中文名：表面電漿光子學
- 外文名：Plasmonics
- 屬性：新型學科
- 構成：納米光子學
簡介,發展歷史,相關套用,研究進展,
簡介
表面電漿是沿著導體表面傳播的波，當改變金屬表面結構時，表面電漿激元（surfaceplasmonpolaritons，SPPs）的性質、色散關係、激發模式、耦合效應等都將產生重大的變化。通過SPPs與光場之間相互作用，能夠實現對光傳播的主動操控。隨著納米技術的發展，表面電漿（SPPs）被廣泛研究用於光子學，形成了表面電漿光子學（plasmonics）。表面電漿光子學已成為一門新興的學科，它的原理、新穎效應以及機制的探究，都極大地吸引研究者們的興趣。Plasmonics具有廣闊的套用前景，例如，套用於製作各種SPPs元器件和迴路，製作納米波導、表面電漿光子晶片、耦合器、調製器和開關，套用於亞波長光學數據存儲、新型光源、突破衍射極限的超分辨成像、SPPs納米光刻蝕術、以及生物光學（作為感測器和探測器）。
發展歷史
遠在科學家們開始研究金屬納米結構的光學性質之前，藝術家們就套用表面電漿技術製造了奇異的玻璃藝術品和對教堂的窗戶進行染色。最著名的例子當屬公元4世紀拜占庭提帝國時代的萊氏杯（Lycurguscup）。科學研究中第一次觀察到表面電漿是在20世紀。1902年RobertW.Wood教授在金屬光柵上進行光學反射測量時觀察到了這一當時還不能解釋的現象。幾乎在同一時間，即1904年，MaxwellGarnett也在金屬摻雜過的玻璃里觀察到了明亮的顏色，並用新發展的德魯德金屬理論和由LordRayleigh推導的小球電磁性質進行了解釋。為了更加深入的理解這一現象，GustavMie於1908年發展了一套新的理論，即現在被廣泛套用的“球形顆粒的光散射理論”。
在50年後的1956年，DavidPines從理論上描述了快電子通過金屬時的特徵能量損耗，並將此損耗歸因於金屬中自由電子的集體振盪。類比於之前發展的氣體放電的電漿振盪，他將此振盪稱之為電漿。巧合的是，在同一年RobertFano引入了電磁聲子一詞，用於描述透明介質里的束縛電子和光的耦合振盪。1957年，RufusRitchie發表了一篇關於薄膜中的電子能量損耗的文獻，文獻表明電漿模可以存在於金屬表面。本研究代表了第一次對表面電漿的理論描述。在1968年，即Wood的最初發現70年之後，Ritchie和他的合作者用表面電漿共振激發描述了金屬光柵上的異常行為。 1968年，AndreasOtto，ErichKretschmann，HeinzRaether實現了在金屬薄膜表面用光激發產生表面電漿，這讓研究人員更加容易從事關於表面電漿的實驗。
這時表面電漿的性質已為大眾所熟知，但它與金屬納米顆粒的光學性質的關係還不清楚。在Garnett有關金屬摻雜進玻璃改變顏色的工作60年之後，即1970年，UweKreibig和PeterZacharias進行了一項有關金銀納米顆粒的電子和光學反應的研究。在這項研究中，金屬納米顆粒的光學性質第一次用表面電漿來進行了描述。隨著研究的深入，振盪電子和電磁場之間的耦合關係變得更加的明顯，因此，StephenCunningham和他的同事於1974年提出了表面電漿激元一詞(SPP)。
同年，此領域又有了另外一項重大發現，MartinFleischmann和他的同事在粗糙的銀表面觀察到了很強的拉曼散射（光子於分子振動的能量交換）。增強的拉曼散射是由粗糙銀表面的表面電漿導致電磁場增強而產生的。這項發現產生了一門新的領域-表面增強拉曼散射（SERS）。
相關套用
表面電漿數據存儲技術 利用金屬納米顆粒對入射光波長和偏振態的敏感，我們可以通過在三維空間集成不同的金屬顆粒，從而實現五維的數據存儲（圖7）。存儲密度相對於現有技術實現了指數倍增長，高達每立方厘米1Tbit！如圖7所示，在存儲介質的同一個空間位置，因為具有對入射光波長和偏振態的敏感性，可以實現對不同圖形的分別寫入和讀出，極大的提高存儲密度。
研究進展
表面電漿共振是金屬納米結構非常獨特的光學特性，對基於表面電漿共振的納米結構體系的研究已形成了國際上迅猛發展的熱點研究領域之一，即表面電漿光子學。金屬納米結構的表面電漿激發能夠產生非常特殊的光電性質，例如，微量的分子吸附就可以導致表面電漿共振頻率的改變；一些特殊的納米結構也可導致局域光電場的顯著增強，這使得所吸附分子的拉曼散射強度增強幾個至十幾個數量級，從而使表面拉曼光譜的探測靈敏度達到單分子水平。表面電漿光子學包含非常廣泛的研究內容。隨著納米科學的發展，以表面電漿共振為基礎的研究日益活躍，並派生出眾多的研究分支，例如表面光電場增強、表面增強光譜、光透射增強、表面電漿納米波導、光學力增強、表面電漿光催化、表面增強的能量轉移及選擇性光吸收等等。這些研究不但發現許多新現象和提出許多新問題，而且展示了巨大的套用前景，有望為納米表征技術和基於其的感測器技術提供新原理和新方法，進而發展為具有超高檢測靈敏度的新型表面電漿和表面增強光譜感測器。
中國科學院物理研究所北京凝聚態物理國家實驗室徐紅星研究員領導的小組致力於這一新興學科的研究。最近，該研究組的魏紅等與美國Rice大學的PeterNordlander教授合作，研究了金的納米線和納米顆粒耦合的結構中拉曼散射的增強隨偏振的變化關係，發現當入射雷射偏振方向垂直於納米線時，在納米線和納米顆粒之間的間隙可以產生巨大的電磁場增強，並且該增強對納米顆粒的形狀變化並不敏感。利用電漿雜化模型，計算了該體系的電場強度隨偏振的變化關係，計算結果揭示局域電漿與傳播電漿間的相互作用的關係，與實驗結果相符。在該工作中首次提出了在表面增強拉曼散射中拉曼發射增強與入射雷射的偏振無關，而局域電場增強則隨入射偏振有cos2θ的依賴關係，因而總體的拉曼增強與入射偏振角度是cos2θ的關係。該工作發表在近期的NanoLett(8,2497—2502,2008)上。
另外，他們與瑞典Lund大學的Höök教授合作，研究了金的納米顆粒—孔洞對的新穎納米結構對拉曼信號的增強作用。儘管納米顆粒—孔洞結構可以產生與納米顆粒對強度相當的增強效果，但由於納米顆粒位於孔洞中，有效增強的區域要比兩個顆粒間的增強的區域大一個量級。還有，納米的孔洞結構便於生物功能化處理。因此，該新結構將為生物體系的表面增強拉曼感測器研究提供更為理想的基底。該工作發表在最近一期的Small(4,1296—1300,2008)上。
