表面等离激元 20131125.ppt

表面等离激元 Surface plasmon polaritons, SPPs 李伟 2013.11.25 Contents Part 1 什么是表面等离 激元 怎么激发表面等离 激元 Part 2 Part 3 Part 4 表面等离激元的性质 及应用 磁共振 巴黎圣母院的玫瑰窗 Part 1 五十年代，为了解快速电子穿过金属箔时的能量损失，人们进行了大量的实验和理论工作。 Pine 和 Bohm 认为，其中能量损失的部分原因是激发了金属箔中电子的等离子体振动（ Plasma oscillation ），又称为等离子体子（ plasmon ）。 Ritchie 从理论上探讨了无限大纯净金属箔中由于等离子体振动而导致的电子能量损失，同时也 考虑了有限大金属箔的情况，指出：不仅等离子体内部存在角频率为 的等离子体振动，而且在等 离子体和真空的界面，还存在表面等离子体振动（ Surface plasma oscillation ），其角频率为 。 Powell 和 Swan 用高能电子发射法测定了金属铝的特征电子能量损失，其实验结果可用 Ritchie 的 理论来解释。 Stern 和 Ferrell 将表面等离子体振动的量子称为表面等离子体子 (Surface plasmon) ，研究了金属表 面有覆盖物时的表面等离子体振动，发现金属表面很薄的氧化物层也会引起这种振动的明显改变。 他们还预言：由于表面等离子体振动对表面涂层的敏感，那么通过选择合适的涂层，表面特征能量 损失的值会在一定范围内发生变化。 表面等离激元 2 / p ? p ? Part 1 在金属中，价电子为整个晶体所共有，形成 所谓费米电子气。价电子可在晶体中移动，而金 属离子则被束缚于晶格位置上，但总的电子密度 和离子密度是相同的，从整体来说金属是电中性 的。人们把这种情况形象地称为“金属离子浸没 于电子的海洋中”。这种情况和气体放电中的等 离子体相似，因此可以把金属看作是一种电荷密 度很高的低温（室温）等离子体，而气体放电中 的等离子体是一种高温等离子体，电荷密度比金 属中的低。 金属板中电子气的位移 （上）金属离子（ + ）位于“电子海洋”中（灰色背景）， （下）电子集体向右移动 “金属等离子体” Part 1 等离子体振荡 等离子体振荡 是等离子体中的电子在自身惯性作用和正负电荷分离所产生的静电恢 复力的作用下发生的简谐振荡。等离子体振荡的频率称为等离子体频率，又称朗缪尔频率。 在可以忽略电子热运动的冷等离子体中，这种振荡不向外传播，不会形成波动。在热等离 子体中，即电子热运动的影响不可忽略时，这种振荡会形成纵波，称为朗缪尔波，它是电 子密度的疏密波。朗缪尔波的频率稍大于等离子体频率。 Part 1 表面等离子体 Part 1 表面等离子体 （ surface plasmons ， SPs ） 是一种电磁表面波， 它在表面处场强最大，在垂直于界面方向是指数衰减场，它能够被电 子也能被光波激发。表面等离子体是目前纳米光电子学科的一个重要 的研究方向，它受到了包括物理学家，化学家材料学家，生物学家等 多个领域人士的极大的关注。 一般来说，表面等离子体波的场分布具有以下特性： 1. 其场分布在沿着界面方向是高度局域的，是一个 消逝波，且在金属中场分布比在介质中分布更集 中，一般分布深度与波长量级相同 2. 在平行于表面的方向，场是可以传播的，但是由 于金属的损耗存在，所以在传播的过程中会有衰 减存在，传播距离有限。 3. 表面等离子体波的色散曲线处在光线的右侧，在 相同频率的情况下，其波矢量比光波矢量要 大。 Surface plasmons (SPs) Surface plasmons (SPs) are coherent electron oscillations that exist at the interface between any two materials where the real part of the dielectric function changes sign across the interface (e.g. a metal-dielectric interface, such as a metal sheet in air). SPs have lower energy than bulk (or volume) plasmons which quantise the longitudinal electron oscillations about positive ion cores within the bulk of an electron gas (or plasma). When SPs couple