表面等離激元（surface Plasmon, SP）是在金屬表面區(qū)域的一種自由電子和光子相互作用的形成的電磁振蕩。表面電荷振蕩與光波電磁場(chǎng)之間的相互作用使得表面等離激元具有很多獨(dú)特的有意義的性質(zhì)。特別是在激光器領(lǐng)域。
定義
當(dāng)光波（電磁波）入射到金屬與電介質(zhì)分界面時(shí)，金屬表面的自由電子發(fā)生集體振蕩，電磁波與金屬表面自由電子耦合而形成的一種沿著金屬表面?zhèn)鞑サ慕鼒?chǎng)電磁波，如果電子的振蕩頻率與入射光波的頻率一致就會(huì)產(chǎn)生共振，在共振狀態(tài)下電磁場(chǎng)的能量被有效地轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘俦砻孀杂呻娮拥募w振動(dòng)能，這時(shí)就形成的一種特殊的電磁模式：電磁場(chǎng)被局限在金屬表面很小的范圍內(nèi)并發(fā)生增強(qiáng)，這種現(xiàn)象就被稱(chēng)為表面等離激元現(xiàn)象。
應(yīng)用
隨著表面等離激元理論研究的深入以及各種結(jié)構(gòu)的器件的成功制作，其在光學(xué)各領(lǐng)域應(yīng)用具有巨大的潛力，尤其在解決了一些以往光學(xué)長(zhǎng)期不能解決的問(wèn)題，其中包括金屬亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的增透效應(yīng)在超分辨率納米光刻、高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、近場(chǎng)光學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。
表面等離激元在光刻中的應(yīng)用
在光刻技術(shù)中，由于存在衍射極限，無(wú)法用普通的掩模在可見(jiàn)光波段曝光得到小的結(jié)構(gòu)，在實(shí)際工藝中，為了克服衍射極限，一般采用移相掩模技術(shù)、離軸照明術(shù)、鄰近效應(yīng)矯正等技術(shù)。但實(shí)現(xiàn)的工藝都比較復(fù)雜。支持SPPs的金屬掩模就可很容易的克服衍射極限，達(dá)到亞波長(zhǎng)分辨率。
遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)透鏡成像
當(dāng)倏逝波通過(guò)一個(gè)特制的金屬層時(shí)，由于亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的表面等離子的耦合共振激發(fā)，將在后面繼續(xù)傳播下去。再通過(guò)探測(cè)器探測(cè)，獲得被觀(guān)測(cè)物的細(xì)節(jié)信息。這種方法提高了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)成像技術(shù)。但這不是一個(gè)嚴(yán)格意義上的遠(yuǎn)場(chǎng)成像系統(tǒng)，因?yàn)閬啿ㄩL(zhǎng)的金屬層仍然需處在被觀(guān)測(cè)物體的近場(chǎng)范圍內(nèi)。
負(fù)折射及成像器件
利用銀膜可以實(shí)現(xiàn)負(fù)折射，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)成像，其中特點(diǎn)有:
（1）負(fù)折射率材料與周?chē)橘|(zhì)折射率匹配，表面沒(méi)有反射;
（2）物像之間的距離是透鏡厚度的兩倍;
（3）透鏡沒(méi)有光軸，為平板成像;
（4）突破衍射極限，實(shí)現(xiàn)超分辨成像。
基本性質(zhì)
表面等離激元是外界光場(chǎng)與金屬中自由電子相互作用的電磁模，在這種相互作用下外界光場(chǎng)被集體振蕩的電子俘獲，構(gòu)成了具有獨(dú)特性質(zhì)的SPPs。在平坦的金屬/介質(zhì)界面，SPPs沿著表面?zhèn)鞑ィ捎诮饘僦袣W姆熱效應(yīng)，它們將逐漸耗盡能量，只能傳播到有限的距離，大約是納米或微米數(shù)量級(jí)。只有當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸可以與SPPs傳播距離相比擬時(shí)，SPPs特性和效應(yīng)才會(huì)顯露出來(lái)。隨著工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)今已經(jīng)可以制作特征尺寸為微米和納米級(jí)的電子元件和回路，在這個(gè)領(lǐng)域的研究也迅速開(kāi)展起來(lái)。
表面等離激元主要具有如下的的基本性質(zhì):
1. 在垂直于界面的方向場(chǎng)強(qiáng)呈指數(shù)衰減;
2. 能夠突破衍射極限;
3. 具有很強(qiáng)的局域場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng);
4.只能發(fā)生在介電參數(shù)(實(shí)部)符號(hào)相反(即金屬和介質(zhì))的界面兩側(cè)。
研究意義
在現(xiàn)代信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，對(duì)于器件微型化和高度集成化的要求越來(lái)越高，怎樣在納米尺寸的層面上實(shí)現(xiàn)信息傳輸處理成為科學(xué)研究的一個(gè)重要課題。表面等離激元能夠突破衍射極限，并具有很強(qiáng)的局域場(chǎng)增強(qiáng)特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)納米尺度的光信息傳輸與處理。另外表面等離激元的獨(dú)特特性，使得它在高靈敏生物檢測(cè)、傳感和新型光源等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。
參考資料 >