金屬介質(zhì)微納結(jié)構(gòu)中的spp效應(yīng)及其透射特性研究【文獻(xiàn)綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)論文文獻(xiàn)綜述</b></p><p><b>　　應(yīng)用物理</b></p><p>　　金屬介質(zhì)微納結(jié)構(gòu)中的SPP效應(yīng)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(jīng)引起了物理、化學(xué)、生物等領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)對SPP的產(chǎn)生機(jī)理、應(yīng)用方面等進(jìn)行了

2、多方面、多層次的研究，但由于實(shí)際的應(yīng)用方面仍存在很大的研究空間，因此對于SPP應(yīng)用方面的研究仍將為人們所關(guān)注。</p><p>　　關(guān)鍵詞：表面等離極化激元（SPP）、光柵、傳感、光學(xué)超分辨成像</p><p>　　近幾年，有關(guān)表面等離子極化激元效應(yīng)（SPP）的研究取得了一些新進(jìn)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(shù)、光電檢測技術(shù)的不斷進(jìn)步，已經(jīng)形成了對能產(chǎn)生SP

3、P效應(yīng)的金屬微納結(jié)構(gòu)體系的研究已經(jīng)形成了一門新的學(xué)科——表面等離子體激元光子學(xué)。由于SPP效應(yīng)具有獨(dú)特的光學(xué)特性，其在傳感、光學(xué)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(yīng)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(chǎn)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(zhì)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(fù)的負(fù)數(shù)的金屬與介電常數(shù)為正的實(shí)數(shù)的介質(zhì)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(jié)構(gòu)達(dá)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(jié)構(gòu)。采用衍射光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行波矢匹配主要是由于光柵結(jié)構(gòu)可以引入一個(gè)額外的波矢量的增量實(shí)現(xiàn)波矢匹配，且由于光柵的結(jié)構(gòu)的材料和幾何參數(shù)可以自由設(shè)定，因而目前的研究內(nèi)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(shí)，光的透射率隨著波長的四次方的指數(shù)次迅速單調(diào)衰減，1998年，Ebbesen等通過在金屬膜引入周期孔陣列時(shí)，發(fā)現(xiàn)即使當(dāng)入射光的波長為孔直徑的10倍時(shí)，仍有很強(qiáng)的透射光強(qiáng)，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(jié)合起來，研究其光透過現(xiàn)象，并考察不同光柵幾何結(jié)構(gòu)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(xué)實(shí)驗(yàn)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(qiáng)的寬帶光吸收特征。其實(shí)質(zhì)是由于費(fèi)米能級附近導(dǎo)帶上的自由電子在電磁場的驅(qū)動下在金屬表面發(fā)生集體震蕩，產(chǎn)生局域表面等離激元；共振狀態(tài)下電磁場的能量被轉(zhuǎn)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(dāng)高能電子通過金屬薄膜時(shí)，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(rèn)為這與金屬薄膜的界面有關(guān) 。1959年，C. J

8、. Powell和J. B. Swan通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了R. H. Ritchie的理論 。1960年，E. A. Stren和R. A. Farrel研究了此種模式產(chǎn)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(shí)EOT現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)、Vardeny研究組進(jìn)行的在微孔排列具有N重（10,12,18,40,120）旋轉(zhuǎn)堆成性的準(zhǔn)周期體系中的EOT現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)得到了一定程度上的證實(shí)。因此我們可以看出，SPP對于EOT的產(chǎn)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(yīng)用</b></p><p>　　由于SPP效應(yīng)具有獨(dú)特的光學(xué)特

10、性，其在傳感、光學(xué)超分辨成像等方面有著重要的研究和應(yīng)用前景。</p><p>　　（一）、在傳感方面的應(yīng)用</p><p>　　過去幾十年，對于使用光學(xué)手段測量化學(xué)和生物量，人們發(fā)展了很多光學(xué)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(xué)（生物）傳感器方面的研究一直在繼續(xù)，因此由于SPP效應(yīng)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(jìn)行了基于SPP效應(yīng)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(yīng)用于氣體探測研究中，之后一年，其又將SPP效應(yīng)應(yīng)用于免疫球蛋白與抗體相互反應(yīng)的測定中。之后，人們描繪了SPP用于測量物理、化學(xué)和生物等方面的傳感裝置并對其未來的應(yīng)用做出了展望。</p><p>　　目前，SPP應(yīng)用于生物傳感的研究已經(jīng)進(jìn)行了很多，大量的實(shí)驗(yàn)和研究已經(jīng)表明表面等離極化激元允許實(shí)

12、時(shí)測量生物量之間的相互作用而不用事先標(biāo)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(jīng)有一些公司將SPP傳感技術(shù)應(yīng)用于商業(yè)方面。</p><p>　?。ǘ⒐鈱W(xué)超分辨成像</p><p>　　由于衍射極限的存在，是用傳統(tǒng)的光學(xué)鏡片進(jìn)行成像的分辨率始終存在一定的極限，半個(gè)世紀(jì)之前Veselago等提出了負(fù)折射率的概念，并預(yù)言使用折射率為-1的負(fù)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(dāng)?shù)腟PP能帶色散設(shè)計(jì)，可以得到SPP在金屬表面?zhèn)鞑r(shí)的負(fù)折射現(xiàn)象。Lezec等利用夾心波導(dǎo)中SPP色散的折疊現(xiàn)象設(shè)計(jì)出兩種并聯(lián)的SPP夾心波導(dǎo)，并首次觀察到SPP在兩種波導(dǎo)結(jié)合處傳播的負(fù)折射現(xiàn)象。之后Pendry并設(shè)計(jì)出了基于負(fù)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(shí)這種超透鏡的成像原理為一種近場效應(yīng)，限制了其應(yīng)用前景，因此人們又提出了遠(yuǎn)場超透鏡的概念，即在金屬表面結(jié)合光柵結(jié)構(gòu)

14、，將倏逝波耦合到遠(yuǎn)場再成像，類似于SPP轉(zhuǎn)換自由光子的過程。2007年，這一原理得到了實(shí)驗(yàn)上的證實(shí)。</p><p><b>　　四、觀點(diǎn)與研究</b></p><p>　　由于SPP效應(yīng)的應(yīng)用前景十分巨大，且其在生物、化學(xué)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(guān)的研究一直在進(jìn)行，并取得了一定成果，但SPP仍有很大的研究價(jià)值。</p>&

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

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