表面等离子体光子学

将表面等离子体技术应用到光子学领域而发展出来的一门新的学科

表面等离子体光子学（Plasmonics）是将表面等离子体技术应用到光子学领域而发展出来的一门新的学科，它是构成纳米光子学的最重要部分。

简介

表面等离子体是沿着导体表面传播的波，当改变金属表面结构时，表面等离子体激元（surfaceplasmonpolaritons，SPPs）的性质、色散关系、激发模式、耦合效应等都将产生重大的变化。通过SPPs与光场之间相互作用，能够实现对光传播的主动操控。随着纳米技术的发展，表面等离子体（SPPs）被广泛研究用于光子学，形成了表面等离子体光子学（plasmonics）。表面等离子体光子学已成为一门新兴的学科，它的原理、新颖效应以及机制的探究，都极大地吸引研究者们的兴趣。Plasmonics具有广阔的应用前景，例如，应用于制作各种SPPs元器件和回路，制作纳米波导、表面等离子体光子芯片、耦合器、调制器和开关，应用于亚波长光学数据存储、新型光源、突破衍射极限的超分辨成像、SPPs纳米光刻蚀术、以及生物光学（作为传感器和探测器）。

发展历史

远在科学家们开始研究金属纳米结构的光学性质之前，艺术家们就应用表面等离子体技术制造了奇异的玻璃艺术品和对教堂的窗户进行染色。最著名的例子当属公元4世纪拜占庭提帝国时代的莱氏杯（Lycurguscup）。科学研究中第一次观察到表面等离子体是在20世纪。1902年RobertW.Wood教授在金属光栅上进行光学反射测量时观察到了这一当时还不能解释的现象。几乎在同一时间，即1904年，MaxwellGarnett也在金属掺杂过的玻璃里观察到了明亮的颜色，并用新发展的德鲁德金属理论和由LordRayleigh推导的小球电磁性质进行了解释。为了更加深入的理解这一现象，GustavMie于1908年发展了一套新的理论，即现在被广泛应用的“球形颗粒的光散射理论”。

在50年后的1956年，DavidPines从理论上描述了快电子通过金属时的特征能量损耗，并将此损耗归因于金属中自由电子的集体振荡。类比于之前发展的气体放电的等离子体振荡，他将此振荡称之为等离子体。巧合的是，在同一年RobertFano引入了电磁声子一词，用于描述透明介质里的束缚电子和光的耦合振荡。1957年，RufusRitchie发表了一篇关于薄膜中的电子能量损耗的文献，文献表明等离子体模可以存在于金属表面。本研究代表了第一次对表面等离子体的理论描述。在1968年，即Wood的最初发现70年之后，Ritchie和他的合作者用表面等离子体共振激发描述了金属光栅上的异常行为。 1968年，AndreasOtto，ErichKretschmann，HeinzRaether实现了在金属薄膜表面用光激发产生表面等离子体，这让研究人员更加容易从事关于表面等离子体的实验。

这时表面等离子体的性质已为大众所熟知，但它与金属纳米颗粒的光学性质的关系还不清楚。在Garnett有关金属掺杂进玻璃改变颜色的工作60年之后，即1970年，UweKreibig和PeterZacharias进行了一项有关金银纳米颗粒的电子和光学反应的研究。在这项研究中，金属纳米颗粒的光学性质第一次用表面等离子体来进行了描述。随着研究的深入，振荡电子和电磁场之间的耦合关系变得更加的明显，因此，StephenCunningham和他的同事于1974年提出了表面等离子体激元一词(SPP)。

同年，此领域又有了另外一项重大发现，MartinFleischmann和他的同事在粗糙的银表面观察到了很强的拉曼散射（光子于分子振动的能量交换）。增强的拉曼散射是由粗糙银表面的表面等离子体导致电磁场增强而产生的。这项发现产生了一门新的领域-表面增强拉曼散射（SERS）。

相关应用

表面等离子体数据存储技术利用金属纳米颗粒对入射光波长和偏振态的敏感，我们可以通过在三维空间集成不同的金属颗粒，从而实现五维的数据存储。存储密度相对于现有技术实现了指数倍增长，高达每立方厘米1Tbit！在存储介质的同一个空间位置，因为具有对入射光波长和偏振态的敏感性，可以实现对不同图形的分别写入和读出，极大的提高存储密度。

研究进展

表面等离子体共振是金属纳米结构非常独特的光学特性，对基于表面等离子体共振的纳米结构体系的研究已形成了国际上迅猛发展的热点研究领域之一，即表面等离子体光子学。金属纳米结构的表面等离子体激发能够产生非常特殊的光电性质，例如，微量的分子吸附就可以导致表面等离子体共振频率的改变；一些特殊的纳米结构也可导致局域光电场的显著增强，这使得所吸附分子的拉曼散射强度增强几个至十几个数量级，从而使表面拉曼光谱的探测灵敏度达到单分子水平。表面等离子体光子学包含非常广泛的研究内容。随着纳米科学的发展，以表面等离子体共振为基础的研究日益活跃，并派生出众多的研究分支，例如表面光电场增强、表面增强光谱、光透射增强、表面等离子体纳米波导、光学力增强、表面等离子体光催化、表面增强的能量转移及选择性光吸收等等。这些研究不但发现许多新现象和提出许多新问题，而且展示了巨大的应用前景，有望为纳米表征技术和基于其的传感器技术提供新原理和新方法，进而发展为具有超高检测灵敏度的新型表面等离子体和表面增强光谱传感器。

中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室徐红星研究员领导的小组致力于这一新兴学科的研究。最近，该研究组的魏红等与美国Rice大学的PeterNordlander教授合作，研究了金的纳米线和纳米颗粒耦合的结构中拉曼散射的增强随偏振的变化关系，发现当入射激光偏振方向垂直于纳米线时，在纳米线和纳米颗粒之间的间隙可以产生巨大的电磁场增强，并且该增强对纳米颗粒的形状变化并不敏感。利用等离子体杂化模型，计算了该体系的电场强度随偏振的变化关系，计算结果揭示局域等离子体与传播等离子体间的相互作用的关系，与实验结果相符。在该工作中首次提出了在表面增强拉曼散射中拉曼发射增强与入射激光的偏振无关，而局域电场增强则随入射偏振有cos2θ的依赖关系，因而总体的拉曼增强与入射偏振角度是cos2θ的关系。该工作发表在近期的NanoLett(8,2497—2502,2008)上。

另外，他们与瑞典Lund大学的Höök教授合作，研究了金的纳米颗粒—孔洞对的新颖纳米结构对拉曼信号的增强作用。尽管纳米颗粒—孔洞结构可以产生与纳米颗粒对强度相当的增强效果，但由于纳米颗粒位于孔洞中，有效增强的区域要比两个颗粒间的增强的区域大一个量级。还有，纳米的孔洞结构便于生物功能化处理。因此，该新结构将为生物体系的表面增强拉曼传感器研究提供更为理想的基底。该工作发表在最近一期的Small(4,1296—1300,2008)上。

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