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2012年11月27 日星期二 材料物理第十讲 固体材料的介电特性 北京大学 李星国 导体静电感应 interaction of electrostatic field with conductor 导体静电平衡 静电平衡条件 表面等离子体共振 Surface Plasmon Resonance 在金属电子论中，金属中的自由电子可以用自由电子气模型来表示：即价电子是 完全共有化的，构成金属中导电的自由电子，离子实与价电子的相互作用完全被忽略， 而且自由电子被视为毫无相互作用的理想气体，为了保持金属的电中性，可以设想将 离子实的正电荷散布于整个体积之中，和自由电子的负电荷正好中和，正是由于这种 自由电子气模型和常规等离子体相似，所以叫做金属中的等离子体。等离子体在热平 衡时是准电中性的，若等离子体内部受到某种扰动而使其一些区域电荷密度不为零， 就会产生强的静电恢复力，使等离子体内的电荷分布发生振荡，这就是等离子体振荡。 这种振荡主要是电场和等离子体流运动相互制约而形成的，所以当电磁波作用于等离 子体时，就会使等离子体发生振荡，而当电磁波的频率和等离子体振荡频率相同时， 就会产生共振。每一种金属材料都会有它固有的等离子振荡频率，当光照射到金属纳 米粒子上时，光与金属之间会有相互作用，当照射光的频率与金属的振荡频率相等时， 就会产生共振，这就叫做金属中的等离子共振。如果激发只局限在金属表面区域，就 叫做表面等离子体共振。 传导型的表面等离子体共振 （Propagating Surface Plasmon Resonance,PSPR）， 与金属膜表面介质的介电常数相关； 局域表面等离子体共振 （Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR）与纳米 粒子的材料、形状、尺寸、粒子之间的距离、以及微环境的介电常数密切相关。 表面等离子体共振 Surface Plasmon Resonance Schematic of plasmon oscillation for a sphere, showing the displacement of the conduction electron charge cloud relative to the nuclei. 其振动频率可表示为 其中ω 为体等离子体激元的频率, ε 为周围材料的介电常数, N 为价电 p m 子浓度, e 为电子电量, m 为电子有效质量, ε(ω)为金属材料的介电常数。 影响因素:电子密度，有效电子质量，电荷分布的形状和大小。 SPR性能表征UV-vis吸收光谱 nanobar 不同形貌的Ag纳米颗粒具有不同的等离子体共振峰 nanocubic Triangular of planes nanospheres Ag-Au组份不同，等离子体共振峰不同 长径比不同，等离子体共振峰的位置不同 电介质材料 固体物质中的电子、离子的不同输运行为 导致了材料的各种导电特性。而对于那些禁 带比较宽的绝缘体物质，电子、离子的各种 电极化过程则起到主要作用，由此导致了材 料具有各种介电特性。这样的物质被称为介 电体或简称电介质材料。电介质材料是由大 量电中性的分子组成的绝缘体。 不导电，但能产生特殊效应…… 在电介质材料中离子处于确定的格位， 即使在电场的作用下，离子也不能发生明 显的长程迁移，它们是不导电的。 但是在电场中，材料中的正负电荷可 以偏离原来的位置，产生电偶极矩，从而 表现出一系列特殊的物理性质。 电介质性质传递方式 1) 固体的导电性质表现在它是用电子或离 子的移动方式传递电的作用和影响。而介电 性质则表现出它通过感应的方式来传递电作 用和影响。 2) 电介质与静电场的作用，其特点有些方 面与导体相似，有的地方不同，