表面等離子體是一種電磁表面波，它在表面處場強最大，在垂直于界面方向是指數(shù)衰減場，它能夠被電子也能被光波激發(fā)。表面等離子體是目前納米光電子學科的一個重要的研究方向，它受到了包括材料學家，化學家，物理學家，生物學家等多個領(lǐng)域人士的極大的關(guān)注。

表面等離子體發(fā)展歷史

表面等離子體的研究最早可追溯至上世紀。

自Wood發(fā)現(xiàn)電磁波在刻有光柵(Grating)的金屬表面上會產(chǎn)生異常的反射光譜后;

Fano首次提出此現(xiàn)象與沿著金屬表面?zhèn)鞑サ碾姶挪ü舱裼忻芮械年P(guān)系，Hessel和Oliner也提出相同的觀點。

在此同時，Ritchie發(fā)現(xiàn)當高能電子通過金屬薄膜時有額外的能量損失，認為其與金屬薄膜的界面有關(guān)，其后又結(jié)合了可見光頻段光柵繞射現(xiàn)象提出了表面等離子體的概念。

同年Kretschmann及Otto等人借由棱鏡耦合的方式成功地激發(fā)了此種非輻射性的表面波。至此，關(guān)于表面等離子體現(xiàn)象的描述已逐漸建立。

后續(xù)一連串的研究又發(fā)現(xiàn)刻有納米結(jié)構(gòu)的金屬薄膜，例如周期性的孔洞陣列(Hole Array)或凹槽(Grooves)，會使電磁波的穿透特性產(chǎn)生明顯的改變，讓原本不透光的金屬薄膜，在特定波長范圍內(nèi)有很高的穿透率，一般認為造成這種特殊現(xiàn)象的原因是和入射電磁波與金屬表面等離子體的耦合共振相關(guān)聯(lián)的。

表面等離子體原理

若以微觀的尺度看，當金屬結(jié)構(gòu)尺度縮小至比入射光的波長更為微小之時，我們稱其具有次波長結(jié)構(gòu)，此時其上的電子與外加電磁場(波)間具有集體強烈交互作用，將使得物質(zhì)產(chǎn)生新穎的光學特性，可與原組成物質(zhì)大不相同，此特性即所謂的表面等離子共振效應(yīng)。

歷史上著名的例子為Lycurgus杯(見下圖)。古代工匠盡管不知道具體原理，卻已經(jīng)知道在制作玻璃藝術(shù)品時摻入微小的金屬顆粒會使其產(chǎn)生色彩上的變化。事實上，由于表面等離子效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，我們才知道其原因是存于其中的金屬顆粒能與特定波長的可見光產(chǎn)生耦合共振，進而散射出來的結(jié)果，其共振頻率取決于顆粒大小、金屬性質(zhì)及周圍物質(zhì)。

表面等離子體共振效應(yīng)一向為研究學者感興趣的題目，其產(chǎn)生的奇異光學特性具有高度的學術(shù)研究價值，帶動了超穎材料及次波長動力學方面的研究，并影響納米科技及光子學等其他基礎(chǔ)領(lǐng)域的發(fā)展，同時具有廣泛的應(yīng)用潛力。依據(jù)該效應(yīng)而形成的表面等離子體光子學更顯示其已成為物理、化學、材料及生物等不同領(lǐng)域的科學家逐漸重視的研究課題。

近年來，由于納米科技的發(fā)展，使得研究者可以制作出具特殊納米結(jié)構(gòu)的材料，更促進了這方面各種新現(xiàn)象與特性的研究，如光學元件、光儲存系統(tǒng)、光感應(yīng)器、太陽能電池及等離子電腦。

表面等離子體應(yīng)用

1、表面等離子體電路

表面等離子由于具有和光波類似的頻寬，但不受衍射極限所限制的特性，因此近年來已有許多研究著重在表面等離子體共振效應(yīng)如何應(yīng)用于光子網(wǎng)絡(luò)上。目前的研究發(fā)展可分為3類：

①表面等離子增強型獨立元件，如濾波器與感應(yīng)器;

②可控制表面等離子元件，如波導(dǎo);

③完整的表面等離子電路。

現(xiàn)今研究工作著重在第1類及第2類上，而第3類為此應(yīng)用的終極夢想。下圖為Ebbesen等人提出利用光束控制表面等離子電路的概念。圖中A與B箭頭分別代表入射至電路的光束，目的是在該電路上產(chǎn)生及控制其上的表面等離子體傳播，最后轉(zhuǎn)換為另一道光束(C箭頭)射出，而該電路的功能則可根據(jù)需要而設(shè)計，舉例來說，可以設(shè)計成具有與鄰近電路同步的功能。

為實現(xiàn)真正的表面等離子體電路，我們將需要類似電子電路中的各種元件。舉例來說，下圖為Atwater提出類似于三極電晶體性質(zhì)的低功率表面等離子體開關(guān)元件(Plasmonic Switch)。其操作原理，簡單來說就是使用相對尺寸較大的介質(zhì)波傳送光學信號至一組表面等離子體開關(guān)陣列中，再依次將信號送至電晶體。

在電子電路中，傳送電子信號的媒介是電線，而在表面等離子體電路中，傳送表面等離子體信號的方式為波導(dǎo)。下圖(a)為表面等離子體波導(dǎo)其中一范例，使用金屬性溝槽可使得表面等離子體在其中傳播，稱為通道型表面等離子體極化(Channel Plasmon Polaritons)，而在兩者間有一環(huán)形結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)可與通道內(nèi)的表面等離子體耦合，并且具有濾波器的特性。下圖(b)和(c)可看出其引導(dǎo)不同波長的光束至不同方向，其波長差只有40nm，濾波效果顯著。

2、生物檢測

表面等離子體共振效應(yīng)已被廣泛應(yīng)用于生物檢測上，其中部分研究著重在測量共振條件的改變以偵測待測物質(zhì)是否存在。其原理為存在于激發(fā)介電質(zhì)、金屬表面等離子體的條件與介電質(zhì)及金屬的組成有關(guān)，當環(huán)境中有其他物質(zhì)存在于該介電質(zhì)時，則等效介電常數(shù)，即共振條件將被改變。以目前的技術(shù)而言，最小可偵測到折射的改變量約為3×10-7。

目前已商業(yè)化的表面等離子生物檢測技術(shù)主要是利用介電常數(shù)較高的物質(zhì)產(chǎn)生內(nèi)部全反射消散場作為激發(fā)源的方式來激發(fā)表面等離子體共振。當介質(zhì)改變時，則產(chǎn)生全反射而激發(fā)表面等離子體共振的角度也發(fā)生改變。我們便可由該角度的變化量得知待測物質(zhì)是否存在。

另一種方法為利用表面等離子體共振以產(chǎn)生靈敏相位差。如下圖所示。此方法基于干涉儀加入表面等離子效應(yīng)加以改良而成。當待測物質(zhì)附著在金屬層時，產(chǎn)生的表面等離子基元共振將影響在波導(dǎo)層傳播的導(dǎo)波，通過測量此導(dǎo)波的相位差即可知待測物質(zhì)是否存在。

表面等離子體也可以應(yīng)用于表面增強式拉曼散射光譜。當分子被吸附在一片粗糙金屬表面時，我們可觀察到拉曼信號可增強5～6個數(shù)量級。其增強的原因是粗糙的金屬表面可產(chǎn)生沿著界面?zhèn)鞑サ谋砻娴入x子基元效應(yīng)，當傳播至另一不平處，一部分能量將轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪ǘ鴤鞑ブ吝h場，最后被偵測器接收。由于分子被吸附于金屬表面，其共振頻率將發(fā)生改變，而不同分子將具有不同的共振頻率，因此我們可借助偵測到的光譜得知不同分子的存在。

下圖為產(chǎn)生拉曼信號的物理機制。

3、超穎物質(zhì)

超穎物質(zhì)是一種具有人造次波長結(jié)構(gòu)的特殊材料。人們設(shè)計此種物質(zhì)的目的是得到與電磁波交互作用后產(chǎn)生的特定光學特性。其中最具代表性的例子為隱形斗篷。根據(jù)轉(zhuǎn)換光學理論，光可繞過介電常數(shù)(ε)及導(dǎo)磁率(μ)為零的球殼狀物質(zhì)而使其內(nèi)部物質(zhì)不與光波作用，便如同隱形一般。

如下圖所示，當太空船被隱形材料包圍住時，后方星團的光將沿著該材料表面?zhèn)鞑?，因此前方探測器無法得知該太空船的存在。超穎物質(zhì)使用的是具有負折射系數(shù)的表面等離子體物質(zhì)及正折射系數(shù)的介電質(zhì)材料，兩者若設(shè)計得當，可使等效介電常數(shù)接近于0，為目前最有可能實現(xiàn)隱形斗篷方法之一。然而大部分研究只能在單頻光下實現(xiàn)，與人眼可偵測到的可見光頻段仍有段距離。目前已有部分研究提出在多個頻率或?qū)拵ьl下設(shè)計該超穎材料的方法。

表面等離子體發(fā)展方向

表面等離子體與非線性效應(yīng)之間的影響。由于表面等離子體的強局域性，利用其來研究非線性現(xiàn)象是一個很好的手段。這方面的研究還處在一個起步的階段，還需要大量的研究工作。

制作全等離子體回路。表面等離子體在制作亞波長量級的光子器件上已經(jīng)顯示出了很大的潛力，像波導(dǎo)，反射鏡，分束器，投射增強器與合波器等等，但是要制作全等離子體回路還需要一段時間。

表面等離子體是一個很有趣的現(xiàn)象，有許多值得研究的方向，有許多激動人心的結(jié)果，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，將會有越來越多的表面等離子體器件進入市場，服務(wù)人類。