1、毕业论文文献综述应用物理金属介质微纳结构中的SPP效应及其透射特性研究摘要近几年，表面等离子极化激元（SPP）已经引起了物理、化学、生物等领域的广泛关注，相关领域已经对SPP的产生机理、应用方面等进行了多方面、多层次的研究，但由于实际的应用方面仍存在很大的研究空间，因此对于SPP应用方面的研究仍将为人们所关注。关键词表面等离极化激元（SPP）、光栅、传感、光学超分辨成像近几年，有关表面等离子极化激元效应（SPP）的研究取得了一些新进展，并出现了一些新的研究分支，随着现代理论研究的深化与微加工技术、光电检测技术的不断进步，已经形成了对能产生SPP效应的金属微纳结构体系的研究已经形成了一门新的学科
2、表面等离子体激元光子学。由于SPP效应具有独特的光学特性，其在传感、光学超分辨成像、太阳能电池、数据存储等方面有着重要的研究和应用前景。一、原理表面等离子极化激元（SURFACEPLASMONPOLARITON）是指在金属表面存在的自由振动的电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波。在界面方向高度局域分布，且在金属中分布比在介质中分布更为集中，可以沿着平行于表面的方向传播，但由于损耗过大，通常传播距离很短。其激发方式为在介电常数为负的负数的金属与介电常数为正的实数的介质表面，通过光波或电子激发。这种电子疏密波可以称为表面等离子体波，但由于其波矢大于光波的波矢量，因此若要使用光波激发
3、出表面等离子体波，需要引入一些特殊的结构达到波矢匹配，在本文中我们研究的主要是采用的是衍射光栅结构。采用衍射光栅结构进行波矢匹配主要是由于光栅结构可以引入一个额外的波矢量的增量实现波矢匹配，且由于光栅的结构的材料和几何参数可以自由设定，因而目前的研究内容较为丰富。按照普通的光波动理论，光在透过无线薄的金属时，光的透射率随着波长的四次方的指数次迅速单调衰减，1998年，EBBESEN等通过在金属膜引入周期孔阵列时，发现即使当入射光的波长为孔直径的10倍时，仍有很强的透射光强，并且透过率超过小孔面积的百分比，这种现象称为光异常透过现象（EXTRAODINARYOPTICALTRANSMISSION
4、,EOT）。这里我们将表面等离子极化激元（SPP）与金属薄膜结合起来，研究其光透过现象，并考察不同光栅几何结构参数下，光的透过情况。二、历史上对于SPP的研究1902年，RWWOOD在光学实验中首次发现了表面等离激元现象，即贵金属（合金）纳米颗粒在可见光区具有很强的宽带光吸收特征。其实质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表面发生集体震荡，产生局域表面等离激元；共振状态下电磁场的能量被转化到金属表面自由电子的集体震荡。以上解释是由UJFANO等人在1941年做出。RHRITCHIE注意到，当高能电子通过金属薄膜时，不仅在等离激元频率处有能量损失，在更低频率处也有能量损失峰，
5、并认为这与金属薄膜的界面有关。1959年，CJPOWELL和JBSWAN通过实验证实了RHRITCHIE的理论。1960年，EASTREN和RAFARREL研究了此种模式产生共振的条件并首次提出了表面等离激元（SURFACEPLASMON，SP）的概念。1998年EBBESEN等发现了EOT现象后即是通过金属表面SPP与入射光的耦合解释的，而这种解释的正确性也得到了EBBESEN本人通过固定小孔的形状和尺寸时EOT现象的实验、VARDENY研究组进行的在微孔排列具有N重（10,12,18,40,120）旋转堆成性的准周期体系中的EOT现象的实验得到了一定程度上的证实。因此我们可以看出，SPP对
6、于EOT的产生起着重要的作用，这也为本文提供了一定的理论上的参考。三、一些应用由于SPP效应具有独特的光学特性，其在传感、光学超分辨成像等方面有着重要的研究和应用前景。（一）、在传感方面的应用过去几十年，对于使用光学手段测量化学和生物量，人们发展了很多光学传感的手段，例如干涉测量的方法、偏振测量的方法、光谱测量的方法等。在光化学（生物）传感器方面的研究一直在继续，因此由于SPP效应对于金属界面附近物理量的变化的异常敏感度，使得人们进行了基于SPP效应的一系列传感方式和传感原理的研究。1982年，LIEDBERG等人首先将SPP应用于气体探测研究中，之后一年，其又将SPP效应应用于免疫球蛋白与抗
7、体相互反应的测定中。之后，人们描绘了SPP用于测量物理、化学和生物等方面的传感装置并对其未来的应用做出了展望。目前，SPP应用于生物传感的研究已经进行了很多，大量的实验和研究已经表明表面等离极化激元允许实时测量生物量之间的相互作用而不用事先标记生物分子的优越性在生物传感方面有着巨大的潜力。已经有一些公司将SPP传感技术应用于商业方面。（二）、光学超分辨成像由于衍射极限的存在，是用传统的光学镜片进行成像的分辨率始终存在一定的极限，半个世纪之前VESELAGO等提出了负折射率的概念，并预言使用折射率为1的负折射平板装置可以突破衍射极限的限制，最近的研究表明，通过适当的SPP能带色散设计，可以得到S
8、PP在金属表面传播时的负折射现象。LEZEC等利用夹心波导中SPP色散的折叠现象设计出两种并联的SPP夹心波导，并首次观察到SPP在两种波导结合处传播的负折射现象。之后PENDRY并设计出了基于负折射材料的超透镜（SUPERLENS），但由于折射材料的损耗等因素影响分辨率，同时这种超透镜的成像原理为一种近场效应，限制了其应用前景，因此人们又提出了远场超透镜的概念，即在金属表面结合光栅结构，将倏逝波耦合到远场再成像，类似于SPP转换自由光子的过程。2007年，这一原理得到了实验上的证实。四、观点与研究由于SPP效应的应用前景十分巨大，且其在生物、化学传感方面，在超分辨成像等方面有着无与比拟的优势
9、，因此相关的研究一直在进行，并取得了一定成果，但SPP仍有很大的研究价值。在这里，我们主要进行对于使用金属光栅结构作为激发SPP效用的原理进行研究，并对固定光波长的入射光透过后的投射光强度进行分析，计算得到最大透射光强的光栅结构参数，并实际制备这种光栅SPP器件分析其实际透过光强，以求得到一定的结论。参考文献1WLIANG,YHUANGYYU,RKLEEAYARIV,HIGHLYSENSITIVEFIBERBRAGGGRATINGREFRACTIVEINDEXSENSORS,APPLPHYSLETT,86,15112220052JHOMOLA,PRESENTANDFUTUREOFSURFACE
10、PLASMONRESONANCEBIOSENSORS,ANALBIOANALCHEM377,528839,20033SHARONA,GLASBERGS,ROSENBLANTTDANDFRISEMAA1997METALBASEDREONANTGRATINGWAVEGUIDESTRUCTURESJOPTSOCAM,A14588944WANGZHENLIN,AREVIEWONRESEARCHPROGRESSINSURFACEPLASMONS,PROGRESSINPHYSICS,100005422009030287385WANGB,AIGOUYL,BOURBISE,APPLPHYSLELL,2009,
11、9410111146BERBEHA,PHYSREV,1944,6671637EBBESENTW,LEZECHJ,GBAEMIHF,ELAL,NATURE,1998,39166686678TBIOT,PELLERINKM,LINKEPA,OPTLEU,2001,262419729JIRIHOMOLA,SINCLAIRSYEE,GUNTERGAUGLITZ,SURFACEPLASMONRESONANCESENSORSREVIEW,SENSORSAND10ACTUATORSB541999315HOOPERIR,SAMBLESJR,PHYSREVB,2002,651616543211BARNESWL,
12、DEREUXA,EBBESENTW,NATURE,2003,424694282412LIEDBERGB,NYLANDERC,LUNDSTROMI,SENSORSANDACTUATORS,1983,429913VESELAGOV,SAVPHYSUSP,1969,10450914LEZECHJ,DIONNEJA,ATWATERHA,SCIENCE,2007,316582343015PODOLSKIYV,NARIMANOVE,OPTLETT,2005,3017516DURANTS,LIUZ,STEELEJM,OPTSACAMB,2006,2311238317LIUZ,DURANTS,LEEH,NANOLEU,2007,72403
