有关表面等离激元讲座总结

表面等离子体讲座总结

表面等离子体讲座总结

基本概念

体等离子体 Volume Plasmon

通过高掺杂或者强场激发,半导体中具有大量自由载流子$10^{17}$~$10^{19} cm^{-3} $。大量的自由电子气相对于具有正电荷的离子施主整体运动,形成表面等离子体。表面等离子体存在于金属或掺杂半导体中。

  • 根据Drude模型(自由电子气模型)

定义等离子体频率:$\omega^{2}{p}=\frac{ne^{2}}{\varepsilon{0}m}$

可以计算色散关系:$\omega^{2}=\omega^{2}_{p}+K^{2}c^{2}$

介电函数:$\varepsilon(\omega)=1-\frac{\omega^{2}_{p}}{\omega^{2}+i\gamma\omega}$

当$\omega<\omega_{p}$,保留金属性;

当接近$\omega_{p}$,$\omega\tau\gg1$,可忽略阻尼,介电函数:$\varepsilon(\omega)=1-\frac{\omega^{2}_{p}}{\omega^{2}}$。

  • Lorentz模型

考虑带间吸收修正,阻尼共振系统,介电函数:$\varepsilon(\omega)=1+\frac{\omega^{2}{p}}{\omega^{2}{0}-\omega^{2}-i\gamma\omega}$

表面等离子体 Surface Plasmon,SP

表面等离子体可以分为两种:

1. 表面等离极化激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)

SPP示意图

SPP本质是一种沿空气和金属表面传播的衰逝波。

最重要的色散关系:$\beta=k_{0}\sqrt{\frac{\varepsilon_{1}\varepsilon_{2}}{\varepsilon_{1}+\varepsilon_{2}}}$

当\beta\rightarrow\infty时:$\omega_{sp}=\frac{\omega_{p}}{\sqrt{1+\varepsilon_{2}}}$

主要参数有:

  1. $\delta_{d}$:在空气一侧的穿透深度
  2. $\delta_{m}$:金属一侧的衰减深度
  3. $\lambda_{spp}$:SPP的波长
  4. $\delta_{spp}$:沿传播方向的传播长度

SPP具有以下特点:

  1. 没有TE模,只有TM模
  2. 需要共振激发(满足动量守恒)
  3. 光场局域增强
  4. 压缩波长( $\lambda_{spp}<\lambda_{air}$)(提高空间频率,提高分辨率,衍射极限)

由于波矢失配,不满足动量守恒,通常用光直接照射物体是不能激发SPP的。需要使用棱镜或者周期性结构进行波矢匹配(或动量匹配)。
常见的耦合方式有:

  • 棱镜耦合(某个角度发生,如全反射,沿表面的波矢分量匹配)
  • 光栅耦合(某个高阶衍射满足波矢匹配)
  • 直接近场激发(空间尺寸小,频谱宽,总有一个波矢满足)
  • 光纤消逝场激发 (?)

2. 局域表面等离子共振(Local Surface Plasmon Resonance,LSPR)

LSP示意图

通常光学研究的物体尺寸远大于光的波长,d>>λ,光可以看作直线传播。因为金属纳米颗粒尺寸远小于光的波长时,纳米金属颗粒对电磁波有散射作用。通常通过激发纳米金属颗粒,不同的形状拥有不同的极化率,从而得到不同振动模。
由于纳米颗粒或结构不连续,一般LSP不能传播。

不同金属颗粒间,LSP存在横模和纵模的耦合。

LSP的横模和纵模

各类应用

Plasmonics bridges photonics and nanoelectronics

这张图被广泛的用于说明微纳光子学的好处,兼具传统电子学和光学的体积和速度的优势。

表征及应用

SPP的表征方法,通常有:

  • 扫描近场显微镜(Scanning Near-field Optical Microscopy,SNOM)
  • 泄露模辐射显微镜(Leakage Radiation Microscopy,LRM)
  • 荧光成像(?)
  • 电子能量损失谱(Electron energy loss spectroscopy,EELS)+ 阴极荧光谱(cathodoluminescence spectroscopy)

由于SPP具有压缩波长的特性,可以用来显微成像,提高分辨率,即与SPP的观测表征方法互逆。SPP分辨率高,观测到SPP的话就代表相比普通光看的更小更清楚。两个小于衍射极限的SPP传播,传播一定距离分开后可观测,分辨率高。

金属纳米颗粒的LSP可以同来提高散射截面,将待测物质分子放在粗糙的金属或金属纳米颗粒上,增强拉曼散射,成为表面增强拉曼散射(Surface-Enhanced Raman Scattering,SERS)

亚波长光波导

类似光纤,高折射率介质,夹在两个低折射率介质间,发生内全反射传播。
SPP在金属和介质(聚合物、塑料等),介质两边空气折射率小于介质,故沿介质和金属界面往前传播。
在SPP光波导的基础上,开发出了一些类似光纤的应用,波导分束、干涉、耦合等。

被动器件:制备完成后不可变。
主动器件:使用光敏、热敏的聚合物材料,制备完成后,随光、热引起变化,可作为传感器。

光学天线

IEEE对于天线定义为:“a means for radiating or receiving radio waves”(用于辐射或者接受电磁波的装置)。描述经典天线的电磁波完全由时谐的电流密度决定,常用的方法由格林函数法。

光通常用棱镜、光栅等原件,但光作为电磁波的理论,实质上是对电磁场的调控。用天线将电磁波变成导体里的电流,金属在微波和射频波段保留了金属性,视为理想导体\sigma无穷大,理想导体内部不存在电场(否则将出现无穷大的电流)。但是金属材料在微波的高频、光频必要考虑电场在导体一侧的渗入,由强耦合的电子集体震荡(体等离子)决定电磁场的响应。

光学天线和微波天线的物理机制并不完全相同,但是类比传统天线还是定义了一些光学天线的参数。

光在自由空间可以自由传播,是传播场,而在介质中不能自由传播,是衍射场,是局域的,光学天线起到作用就是就耦合传播场和局域场,有效的将传播模变成空间局域模,或相反的过程。光学天线可以看作广义上光与物质相互作用的基本概念。

因为光学天线增强吸收或辐射场,所以有望在单个量子系统水平上的控制光物质相互作用。

光学天线的制造则是随着微纳加工技术的进步成为了可能。

对于单独一根金属棒作为光学天线的描述

  • 弹簧振子,类似退极化场
  • F-P模型,在光频趋肤深度和金属棒直径相当,表面电子集体的震荡沿金属棒传播产生类表面模

参考资料

主要参考文献:

  1. Maier, Stefan A., Plasmonics: Fundamentals and Applications (New York: Springer, 2007)

  2. Klingshirn, C. F., Semiconductor Optics, 3rd ed (Berlin ; New York: Springer, 2007)

  3. Bharadwaj, Palash, Bradley Deutsch, and Lukas Novotny, ‘Optical Antennas’, Advances in Optics and Photonics, 1 (2009), 438 https://doi.org/10.1364/AOP.1.000438

  4. Biagioni, Paolo, Jer-Shing Huang, and Bert Hecht, ‘Nanoantennas for Visible and Infrared Radiation’, Reports on Progress in Physics, 75 (2012), 024402 https://doi.org/10.1088/0034-4885/75/2/024402

两次讲座主讲人分别是:

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