表面等离激元-2013.11.25ppt课件

表面等离激元Surfaceplasmonpolaritons SPPs 李伟2013 11 25 Contents Part1 什么是表面等离激元 怎么激发表面等离激元 Part2 Part3 Part4 表面等离激元的性质及应用 磁共振 巴黎圣母院的玫瑰窗 Part1 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 Plasmaoscillation 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 Surfaceplasmaoscillation 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 Surfaceplasmon 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 Part1 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 Part1 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 Part1 表面等离子体 Part1 表面等离子体 surfaceplasmons 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 Surfaceplasmons SPs Surfaceplasmons SPs arecoherentelectronoscillationsthatexistattheinterfacebetweenanytwomaterialswheretherealpartofthedielectricfunctionchangessignacrosstheinterface e g ametal dielectricinterface suchasametalsheetinair SPshavelowerenergythanbulk orvolume plasmonswhichquantisethelongitudinalelectronoscillationsaboutpositiveioncoreswithinthebulkofanelectrongas orplasma WhenSPscouplewithaphoton theresultinghybridisedexcitationiscalledasurfaceplasmonpolariton SPP ThisSPPcanpropagatealongthesurfaceofametaluntilenergyislosteitherviaabsorptioninthemetalorradiationintofree space Theexistenceofsurfaceplasmonswasfirstpredictedin1957byRufusRitchie Inthefollowingtwodecades surfaceplasmonswereextensivelystudiedbymanyscientists theforemostofwhomwereT Turbadarinthe1950sand1960s andHeinzRaether E Kretschmann andA Ottointhe1960sand1970s Informationtransferinnanoscalestructures similartophotonics bymeansofsurfaceplasmons isreferredtoasplasmonics Part1 Schematicrepresentationofanelectrondensitywavepropagatingalongametal dielectricinterface Thechargedensityoscillationsandassociatedelectromagneticfieldsarecalledsurfaceplasmon polaritonwaves Theexponentialdependenceoftheelectromagneticfieldintensityonthedistanceawayfromtheinterfaceisshownontheright Thesewavescanbeexcitedveryefficientlywithlightinthevisiblerangeoftheelectromagneticspectrum Part1 Surfaceplasmons SPs 表面等离激元 SurfacePlasmonPolaritons SPPs 是光和金属表面的自由电子相互作用所引起的一种电磁波模式 或者说是在局域金属表面的一种自由电子和光子相互作用形成的混合激发态 在这种相互作用中 自由电子在与其共振频率相同的光波照射下发生集体振荡 它局限于金属与介质界面附近 沿表面传播 并能在特定纳米结构条件下形成光场增强 这种表面电荷振荡与光波电磁场之间的相互作用就构成了具有独特性质的SPPs 早在一百年前 人们就认识到贵金属 合金 纳米颗粒在可见光区表现出很强的宽带光吸收特征 这种现象实质上是由于费米能级附近导带上的自由电子在电磁场的驱动下在金属面发生集体振荡 产生所谓局域表面等离激元 共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能 表面等离激元 Part1 当光波 电磁波 入射到金属与介质分界面时 金属表面的自由电子发生集体振荡 电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波 如果电子的振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振 在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能 这时就形成的一种特殊的电磁模式 电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强 这种现象就被称为表面等离激元现象 目前 SPPs已经被应用于生物 化学 传感 光电子集成器件等多个领域 实际应用中 只有当结构尺寸可以与SPPs传播距离相比拟时 SPPs特性和效应才显露出来 有时候也用表面等离子体共振 SurfacePlasmonResonance SPR 技术来描述其相关特性 表面等离激元 Part1 Surfaceplasmonpolaritons SPPs Surfaceplasmonpolaritons SPPs areinfraredorvisiblefrequencyelectromagneticwaves whicharetrappedatorguidedalongmetal dielectricinterfaces Theseareshorterinwavelengththantheincidentlight photons Hence SPPscanprovideasignificantreductionineffectivewavelengthandacorrespondingsignificantincreaseinspatialconfinementandlocalfieldintensity Collectivechargeoscillationsattheboundarybetweenaninsulatingdielectricmedium suchasairorglass andametal suchasgold silverorcopper areabletosustainthepropagationofinfraredorvisiblefrequencyelectromagneticwavesknownassurfaceplasmon polaritons SPP SPPsareguidedalongmetal dielectricinterfacesmuchinthesamewaylightcanbeguidedbyanopticalfiber withtheuniquecharacteristicofsubwavelength scaleconfinementperpendiculartotheinterface Part1 Surfaceplasmons notSPPs occuraslightinducedpacketsofelectricalchargescollectivelyoscillateatthesurfacesofmetalsatopticalfrequencies Underspecificconditions thelightthatradiatestheobject incidentlight coupleswiththesurfaceplasmonstocreateself sustaining propagatingelectromagneticwavesknownassurfaceplasmonpolaritons SPPs Oncelaunched theSPPsripplealongthemetal dielectricinterfaceanddonotstrayfromthisnarrowpath Comparedwiththeincidentlightthattriggeredthetransformation theSPPscanbemuchshorterinwavelength Inotherwords whenSPscouplewithaphoton theresultinghybridisedexcitationiscalledasurfaceplasmonpolariton SPP ThisSPPcanpropagatealongthesurfaceofametaluntilenergyislosteitherviaabsorptioninthemetalorradiationintofree space Surfaceplasmonpolaritons SPPs Part1 表面等离激元的分类 金属纳米颗粒中自由电子振荡受到结构尺寸的限制 称为局域的表面等离激元 localizedsurfaceplasmon LSP 在金属纳米薄膜与介质的界面上激发的表面等离激元可以沿着薄膜远程传播 称为传导的表面等离激元 propagatingsurfaceplasmonpolariton SPP 近年来 随着纳米加工和制备技术以及理论模拟分析手段的发展 人们对表面等离激元的机理和应用的研究逐渐广泛和深入 使其迅速发展成为一门新兴的学科 等离激元光子学 plasmonics 并在生物 化学 能源 信息等领域具有重要的应用前景 Part1 表面等离激元的物理机理 因为金属中的价电子可以自由移动 入射光可能激起电子气的纵向振动 如果由于入射电子的作用 金属中电子向右移动了一段距离x 因此在右边就有了电子堆积 设n为电子密度 右边出现的面电荷密度为 nex 左边的面电荷密度为 nex 则金属的极化强度p为 由极化产生的电场E为 在这个电场的作用下 电子有向左移的倾向 于是产生了振动 如果不考虑振动能量的衰减 单位体积内的电子气的振动方程式为 或 式中m为电子的质量 e为电子的电荷量 p为无衰减时的等离子体振动的角频率 则 Part1 表面等离激元的物理机理 等离子体子 plasmon 又称等离激元 的量子能量为 对金属来说 ne 1023 cm3 将此值代入上式 可得金属中等离子体子的量子能量约为 如果考虑了金属内电子的衰减 弛豫时间为 在外电场的存在下 电子只沿z方向运动 则电子的运动方程 Drude方程 为 Part1 表面等离激元的物理机理 由此可得 代入 则复数介电常数上式即为金属自由电子的共谐振荡模型 Drude模型 它描述了金属介电常数与入射光电场频率的关系若忽略衰减 即时 有 Part1 表面等离激元的物理机理 由上式可见 当时介电常数为负 折射率为复数 金属与入射电磁波存在较强的相互作用 而当时 介电常数为正 折射率为实数 金属对入射光来说只是一种常规的介电材料 虽然Drude模型有很多近似条件 但是仍然能很好地用于解释表面等离激元的物理机理和很多实验现象 Part1 金属表面的等离子体振动 上面所述的是金属内部的等离子体振动 即体积等离子体振动 Volumeplasmaoscillation 而在金属表面也存在电荷密度振动 称为表面等离子体振动 其角频率 s与体积等离子体的不同 它们之间存在以下关系 若金属表面覆盖有介电常数为 的薄层 则这种特殊表面的等离子体振动的角频率 ms为 Part1 怎么激发等离激元 由于SPPs的波矢量大于光波的波矢量 或者说SPPs的动量与入射光子的动量不匹配 所以不可能直接用光波激发出表面等离子体波 为了激励表面等离子体波 需要引入一些特殊的结构达到波矢匹配 常用的结构有以下几种 1 采用棱镜耦合 比较常用的有Otto方式和Kretschmann方式 2 采用衍射光栅结构 3 采用波导结构 4 采用强聚焦光束 5 采用近场激发 Part2 1 棱镜耦合下图显示了棱镜耦合 也称衰减全反射 AttenuatedTotalReflection ATR 有Kretschmann结构 a 和Otto结构 b 两种形式 在Kretschmann结构中 金属膜直接镀在棱镜 折射率np 表面 当入射光波 波矢量k0 的入射角度 大于临界角时 会在棱镜和金属界面处发生全反射 并产生一个消逝波 该消逝波的波矢量k npk0sin 与原光波的波矢量k0相比会有一个增量 使得波矢匹配条件k kspp有可能满足 只要金属膜的厚度不是太厚就可激发出金属 空气界面上的SPP波 而在Otto结构中 棱镜的表面和金属之间存在一个很窄的空气缝隙 利用棱镜和空气界面处全反射的消逝波来满足波矢匹配条件 激发金属 空气界面上的SPP 怎么激发等离激元 Part2 怎么激发等离激元 2 光栅耦合如右图所示 通过在金属 介质界面引入一个周期性 周期为 g 的表面起伏 光波入射到该界面时会产生衍射波 其波量会相应地加上或减去整数倍的光栅矢kg kg 2 g 使得波矢匹配条件有可能满足 即k k0sinq Nkg kspp 从而激SPP 此外 利用金属表面缺陷 如在金属面上刻蚀一个凹槽等 也能激发SPP Part2 3 波导模耦合如右图所示 在介质层中传播的波导模式在波导两侧是消逝波 当在波导的某个位置镀上一层金属后 波导模通过这个区域时就能够将波导中的光场能量耦合到SPP波中 从而达到激发金属和介质界面SPP的目的 在实际的研究中 常采用光纤做波导 剥去光纤某段的包层再镀上金属 这样就实现了一种最简单的波导激发表面等离子体波的结构 其中光纤做波导有终端反射式和在线传输式主要两种 以及基于此两种激发结构的光纤SPR传感器 怎么激发等离激元 Part2 怎么激发等离激元 4 强聚焦光束其基本原理与棱镜耦合中的Kretschmann结构相似 见右图所示 将高数值孔径的显微物镜通过油浸层靠近一个镀有金属薄膜的介质衬底 入射光波通过该物镜聚焦到介质衬底 金属界面 由于高数值孔径能够提供足够大的入射角 从而满足波矢量匹配 实现SPP波的激发 Part2 怎么激发等离激元 5 近场激发用一个亚波长尺寸的探针尖 同时要求孔径小于SPP波长 spp 在近场范围内照射金属表面 如右图所示 由于探针尖的尺寸很小 从针尖出来的光会包含波矢量大于等于SPP波矢量的分量 这样就能实现波矢量的匹配 从而可以局部激发SPP Part2 表面等离激元的性质及应用 表面等离激元是外界光场与金属中自由电子相互作用的电磁模 在这种相互作用下外界光场被集体振荡的电子俘获 构成了具有独特性质的SPPs 在平坦的金属 介质界面 SPPs沿着表面传播 由于金属中欧姆热效应 它们将逐渐耗尽能量 只能传播到有限的距离 大约是纳米或微米数量级 只有当结构尺寸可以与SPPs传播距离相比拟时 SPPs特性和效应才会显露出来 随着工艺技术的不断进步 现今已经可以制作特征尺寸为微米和纳米级的电子元件和回路 在这个领域的研究也迅速开展起来 表面等离激元主要具有如下的的基本性质 1 在垂直于界面的方向场强呈指数衰减 2 能够突破衍射极限 3 具有很强的局域场增强效应 4 只能发生在介电参数 实部 符号相反 即金属和介质 的界面两侧 Part3 表面等离激元的性质及应用 随着表面等离激元理论研究的深入以及各种结构的器件的成功制作 其在光学各领域应用具有巨大的潜力 尤其在解决了一些以往光学长期不能解决的问题 其中包括金属亚波长结构的增透效应在超分辨率纳米光刻 高密度数据存储 近场光学等领域的应用 表面等离激元在光刻中的应用在光刻技术中 由于存在衍射极限 无法用普通的掩模在可见光波段曝光得到小的结构 在实际工艺中 为了克服衍射极限 一般采用移相掩模技术 离轴照明术 邻近效应矫正等技术 但实现的工艺都比较复杂 支持SPPs的金属掩模就可很容易的克服衍射极限 达到亚波长分辨率 远场光学透镜成像当倏逝波通过一个特制的金属层时 由于亚波长结构的表面等离子的耦合共振激发 将在后面继续传播下去 再通过探测器探测 获得被观测物的细节信息 这种方法提高了点对点成像技术 但是不是一个严格意义上的远场成像系统 因为亚波长的金属层仍然需要在被观测物体的近场范围内 负折射及成像器件利用银膜可以实现负折射 并进一步实现成像 其中特点有 1 负折射率材料与周围介质折射率匹配 表面没有反射 2 物像之间的距离是透镜厚度的两倍 3 透镜没有光轴 为平板成像 4 突破衍射极限 实现超分辨成像 Part3 共振 是指一物理系统在特定频率下 比其他频率以更大的振幅做振动的情形 此些特定频率称之为共振频率 在共振频率下 很小的周期驱动力便可产生很大的振动 因为系统储存有振动的能量 当阻尼很小时 共振频率大约与系统自然频率或称固有频率相等 后者是自由振荡时的频率 自然中有许多地方有共振的现象 人类也在其技术中利用