金屬介質微納結構中的spp效應及其透射特性研究【文獻綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)論文文獻綜述</b></p><p><b>　　應用物理</b></p><p>　　金屬介質微納結構中的SPP效應及其透射特性研究</p><p>　　摘要：近幾年，表面等離子極化激元（SPP）已經引起了物理、化學、生物等領域的廣泛關注，相關領域已經對SPP的產生機理、應用方面等進行了

2、多方面、多層次的研究，但由于實際的應用方面仍存在很大的研究空間，因此對于SPP應用方面的研究仍將為人們所關注。</p><p>　　關鍵詞：表面等離極化激元（SPP）、光柵、傳感、光學超分辨成像</p><p>　　近幾年，有關表面等離子極化激元效應（SPP）的研究取得了一些新進展，并出現(xiàn)了一些新的研究分支，隨著現(xiàn)代理論研究的深化與微加工技術、光電檢測技術的不斷進步，已經形成了對能產生SP

3、P效應的金屬微納結構體系的研究已經形成了一門新的學科——表面等離子體激元光子學。由于SPP效應具有獨特的光學特性，其在傳感、光學超分辨成像、太陽能電池、數(shù)據(jù)存儲等方面有著重要的研究和應用前景。</p><p><b>　　一、原理</b></p><p>　　表面等離子極化激元（Surface Plasmon Polariton）是指在金屬表面存在的自由振動的電子與光

4、子相互作用產生的沿著金屬表面?zhèn)鞑サ碾娮邮杳懿?。在界面方向高度局域分布，且在金屬中分布比在介質中分布更為集中，可以沿著平行于表面的方向傳播，但由于損耗過大，通常傳播距離很短。其激發(fā)方式為在介電常數(shù)為負的負數(shù)的金屬與介電常數(shù)為正的實數(shù)的介質表面，通過光波或電子激發(fā)。這種電子疏密波可以稱為表面等離子體波，但由于其波矢大于光波的波矢量，因此若要使用光波激發(fā)出表面等離子體波，需要引入一些特殊的結構達到波矢匹配，在本文中我們研究的主要是采用的是衍射

5、光柵結構。采用衍射光柵結構進行波矢匹配主要是由于光柵結構可以引入一個額外的波矢量的增量實現(xiàn)波矢匹配，且由于光柵的結構的材料和幾何參數(shù)可以自由設定，因而目前的研究內容較為豐富。</p><p>　　按照普通的光波動理論，光在透過無線薄的金屬時，光的透射率隨著波長的四次方的指數(shù)次迅速單調衰減，1998年，Ebbesen等通過在金屬膜引入周期孔陣列時，發(fā)現(xiàn)即使當入射光的波長為孔直徑的10倍時，仍有很強的透射光強，并且透

6、過率超過小孔面積的百分比，這種現(xiàn)象稱為光異常透過現(xiàn)象（Extraodinary optical transmission,EOT）。這里我們將表面等離子極化激元（SPP）與金屬薄膜結合起來，研究其光透過現(xiàn)象，并考察不同光柵幾何結構參數(shù)下，光的透過情況。</p><p>　　二、歷史上對于SPP的研究</p><p>　　1902年，R.W.Wood在光學實驗中首次發(fā)現(xiàn)了表面等離激元現(xiàn)象，即

7、貴金屬（合金）納米顆粒在可見光區(qū)具有很強的寬帶光吸收特征。其實質是由于費米能級附近導帶上的自由電子在電磁場的驅動下在金屬表面發(fā)生集體震蕩，產生局域表面等離激元；共振狀態(tài)下電磁場的能量被轉化到金屬表面自由電子的集體震蕩。以上解釋是由U.J.Fano等人在1941年做出。R. H. Ritchie注意到，當高能電子通過金屬薄膜時，不僅在等離激元頻率處有能量損失，在更低頻率處也有能量損失峰，并認為這與金屬薄膜的界面有關 。1959年，C. J

8、. Powell和J. B. Swan通過實驗證實了R. H. Ritchie的理論 。1960年，E. A. Stren和R. A. Farrel研究了此種模式產生共振的條件并首次提出了表面等離激元（Surface Plasmon，SP）的概念 。</p><p>　　1998年Ebbesen等發(fā)現(xiàn)了EOT現(xiàn)象后即是通過金屬表面SPP與入射光的耦合解釋的，而這種解釋的正確性也得到了Ebbesen本人通過固定小孔

9、的形狀和尺寸時EOT現(xiàn)象的實驗、Vardeny研究組進行的在微孔排列具有N重（10,12,18,40,120）旋轉堆成性的準周期體系中的EOT現(xiàn)象的實驗得到了一定程度上的證實。因此我們可以看出，SPP對于EOT的產生起著重要的作用，這也為本文提供了一定的理論上的參考。</p><p><b>　　三、一些應用</b></p><p>　　由于SPP效應具有獨特的光學特

10、性，其在傳感、光學超分辨成像等方面有著重要的研究和應用前景。</p><p>　　（一）、在傳感方面的應用</p><p>　　過去幾十年，對于使用光學手段測量化學和生物量，人們發(fā)展了很多光學傳感的手段，例如干涉測量的方法、偏振測量的方法、光譜測量的方法等。在光化學（生物）傳感器方面的研究一直在繼續(xù)，因此由于SPP效應對于金屬界面附近物理量的變化的異常敏感度，使得人們進行了基于SPP效應的

11、一系列傳感方式和傳感原理的研究。</p><p>　　1982年，Liedberg等人首先將SPP應用于氣體探測研究中，之后一年，其又將SPP效應應用于免疫球蛋白與抗體相互反應的測定中。之后，人們描繪了SPP用于測量物理、化學和生物等方面的傳感裝置并對其未來的應用做出了展望。</p><p>　　目前，SPP應用于生物傳感的研究已經進行了很多，大量的實驗和研究已經表明表面等離極化激元允許實

12、時測量生物量之間的相互作用而不用事先標記生物分子的優(yōu)越性在生物傳感方面有著巨大的潛力。已經有一些公司將SPP傳感技術應用于商業(yè)方面。</p><p>　?。ǘ?、光學超分辨成像</p><p>　　由于衍射極限的存在，是用傳統(tǒng)的光學鏡片進行成像的分辨率始終存在一定的極限，半個世紀之前Veselago等提出了負折射率的概念，并預言使用折射率為-1的負折射平板裝置可以突破衍射極限的限制，最近的

13、研究表明，通過適當?shù)腟PP能帶色散設計，可以得到SPP在金屬表面?zhèn)鞑r的負折射現(xiàn)象。Lezec等利用夾心波導中SPP色散的折疊現(xiàn)象設計出兩種并聯(lián)的SPP夾心波導，并首次觀察到SPP在兩種波導結合處傳播的負折射現(xiàn)象。之后Pendry并設計出了基于負折射材料的超透鏡（superlens），但由于折射材料的損耗等因素影響分辨率，同時這種超透鏡的成像原理為一種近場效應，限制了其應用前景，因此人們又提出了遠場超透鏡的概念，即在金屬表面結合光柵結構

14、，將倏逝波耦合到遠場再成像，類似于SPP轉換自由光子的過程。2007年，這一原理得到了實驗上的證實。</p><p><b>　　四、觀點與研究</b></p><p>　　由于SPP效應的應用前景十分巨大，且其在生物、化學傳感方面，在超分辨成像等方面有著無與比擬的優(yōu)勢，因此相關的研究一直在進行，并取得了一定成果，但SPP仍有很大的研究價值。</p>&

15、lt;p>　　在這里，我們主要進行對于使用金屬光柵結構作為激發(fā)SPP效用的原理進行研究，并對固定光波長的入射光透過后的投射光強度進行分析，計算得到最大透射光強的光柵結構參數(shù)，并實際制備這種光柵SPP器件分析其實際透過光強，以求得到一定的結論。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　[1].W.Liang,Y.huang.Y.Yu,R

16、.K.Lee.a.Yariv, Highly sensitive fiber Bragg grating refractive index sensors,Appl.Phys.Lett,86,151122.(2005)</p><p>　　[2].J.Homola,Present and future of surface Plasmon resonance biosensors,Anal Bioanal Che

17、m.377,528-839,(2003)</p><p>　　[3].Sharon A, Glasberg S, Rosenblantt D and Frisem A A 1997 Metal-based reonant grating waveguide structures J. Opt. Soc. Am, A 14 588-94</p><p>　　[4].Wang Zhen-lin

18、,A review on research progress in surface plasmons,Progress in Physics,1000-0542(2009)03-0287-38</p><p>　　[5].Wang B,Aigouy L,Bourbis E,Appl Phys Lell,2009,94(1):011114</p><p>　　[6].Berbe H A,ph

19、ysRev,1944,66(7):163</p><p>　　[7].Ebbesen T W,Lezec H J,Gbaemi H F,elal,Nature,1998,391(6668):667</p><p>　　[8].Tbio T,Pellerin K M,Linke P A,OptLeu,2001,26(24):1972</p><p>　　[9].Jir

20、i Homola,Sinclair S.Yee,Gunter Gauglitz,Surface Plasmon resonance sensors:review,Sensors and [10].Actuators B 54(1999)3-15Hooper I R,Sambles J R,PhysRev B,2002,65(16):165432</p><p>　　[11].Barnes W L,Dereux A

21、,EBBesen T W,Nature,2003,424(6942):824</p><p>　　[12].Liedberg B,Nylander C,Lundstrom I,Sensors and Actuators,1983,4:299</p><p>　　[13].Veselago V,Sav PhYs Usp,1969,10(4):509</p><p>　

22、　[14].Lezec H J,Dionne J A,Atwater H A,Science,2007,316(5823):430</p><p>　　[15].Podolskiy V,Narimanov E,opt Lett,2005,30(1):75</p><p>　　[16].Durant S,Liu Z,Steele J M,Opt Sac Am B,2006,23(11):23