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、畢業(yè)論文文獻(xiàn)綜述金屬介質(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(duì)spp的產(chǎn)生機(jī)理、應(yīng)用方面等進(jìn)行了多方面、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(duì)于spp應(yīng)用方面的研究仍將為人們所關(guān)注。關(guān)鍵詞：表血等離極化激元(spp)、光柵、傳感、光學(xué)超分辨成像近幾年，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，并岀現(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(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，已經(jīng)形成了 對(duì)能產(chǎn)生spp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(mén)新的

2、學(xué)科一一表面等離子體激元 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(yáng)能電池、數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)等方血有著重要的研究和應(yīng)用前景。一、原理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(dòng)的電子與光子 相互作用產(chǎn)生的沿著金屬表血傳播的電子疏密波。在界血方向高度局域分布，且在金屬中分布比在 介質(zhì)屮分布更為集中，可以沿著平行于表面的方向傳播，但由于損耗過(guò)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(guò)光波或電子激發(fā)。 這種電子疏密波可以稱(chēng)為表面等離子體波，但由于其波矢大于光波的波矢

3、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)到波矢兀配，在本文中我們研究的主要是采用的 是衍射光柵結(jié)構(gòu)。采用衍射光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行波矢兀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)的材料和兒何參數(shù)可以自由設(shè)定，因而目前的研究?jī)?nèi)容較 為豐富。按照普通的光波動(dòng)理論，光在透過(guò)無(wú)線薄的金屈時(shí)，光的透射率隨著波長(zhǎng)的四次方的指數(shù)次迅 速單調(diào)衰減，1998年，ebbesen等通過(guò)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(zhǎng)為孔 直徑的10倍吋，仍有很強(qiáng)的透射光強(qiáng)，并且透過(guò)率超過(guò)小孔面積的百分比，這種現(xiàn)象稱(chēng)為光異常透 過(guò)現(xiàn)象(extraodinary

4、 optical tninsmission,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(lái)，研究其光透過(guò)現(xiàn)象，并考察不同光柵兒何結(jié)構(gòu)參數(shù)下，光的透過(guò)情況。二、歷史上對(duì)于spp的研究1902年，r.w.wood在光學(xué)實(shí)驗(yàn)屮首次發(fā)現(xiàn)了表面等離激元現(xiàn)象，即貴金屬(合金)納米顆粒 在可見(jiàn)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(jí)附近導(dǎo)帶上的自由電子在電磁場(chǎng)的 驅(qū)動(dòng)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(chǎng)的能量被轉(zhuǎn)化到金屬 表而自由電子的集體震蕩。以上解釋是ftl uj.fano等人在1941年做出。r. h. ritchie注意到，當(dāng)高 能電子通過(guò)金

5、屈薄膜時(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. powell和j. b. swan通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了 r. h. ritchie的理 論。1960年，e. a. stren和r. a. fairel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。1998年ebbesen等發(fā)現(xiàn)了 eot現(xiàn)象后即是通過(guò)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(guò)固定小孔的形狀和尺寸時(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

6、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(duì)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。三、一些應(yīng)用由于spp效應(yīng)具有獨(dú)特的光學(xué)特性，其在傳感、光學(xué)超分辨成像等方面有著重要的研究和應(yīng)用 前景。（一）、在傳感方面的應(yīng)用過(guò)去兒十年，對(duì)于使用光學(xué)手段測(cè)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(cè)量的方法、偏振測(cè)量的方法、光譜測(cè)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(duì)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)的一

7、系列傳感方式和傳感原理的研究。1982年，liedberg等人首先將spp應(yīng)用于氣體探測(cè)研究中，z后一年，其乂將spp效應(yīng)應(yīng)用于 免疫球蛋白與抗體相互反應(yīng)的測(cè)定屮。z后，人們描繪了 spp用于測(cè)量物理、化學(xué)和生物等方面的 傳感裝置并對(duì)其未來(lái)的應(yīng)用做出了展望。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)和研究己經(jīng)表明表面等離極化 激元允許實(shí)吋測(cè)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)越性在生物傳感方血有著巨 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。（二）、光學(xué)超分辨成像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v

8、eselago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，最近的研究表明，通過(guò)適當(dāng)?shù)膕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)屮spp色散的折疊現(xiàn)彖設(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(chǎng)效 應(yīng)，限制了其應(yīng)用前景，因此人們又提岀了遠(yuǎn)場(chǎng)超透鏡的概念，即在金屬表面結(jié)合光柵結(jié)構(gòu)，將倏 逝波耦合到遠(yuǎn)場(chǎng)再成像，類(lèi)似于spp轉(zhuǎn)換

9、自由光子的過(guò)程。2007年，這一原理得到了實(shí)驗(yàn)上的證實(shí)。四、觀點(diǎn)與研究由于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(wú) 與比擬的優(yōu)勢(shì)，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?jī)r(jià)值。在這里，我們主要進(jìn)行對(duì)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(duì)固定光 波長(zhǎng)的入射光透過(guò)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(guò)光強(qiáng)，以求得到一定的結(jié)論。參考文獻(xiàn)：1 .w.lia ng,y.hua ng .y.yu,r.k 丄 ee.a.yariv, highly sen si

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