表面等离子激元(表面等离子激元共振)

2、表面等离激元 表面等离激元（Surface Plasmon, SP）是在金属表面区域的一种自由电子和光子相互作用的形成的电磁振荡。二、特性不同 1、表面等离子体 ①、其场分布在沿着界面方向是高度局域的，是一个消逝波。

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文章目录：

1. 表面等离子体和表面等离激元的区别
2. 表面等离激元的研究意义
3. 四川大学王卫课题组:一维金属沟槽阵列表面等离激元激发特性

一、表面等离子体和表面等离激元的区别

主要区别是，性质不同、特性不同、应用不同，具体如下：

一、性质不同

1、表面等离子体

表面等离子体（surface plasmons，SPs）是一种电磁表面波，它在表面处场强最大，在垂直于界面方向是指数衰减场，它能够被电子也能被光波激发。

2、表面等离激元

表面等离激元（Surface Plasmon, SP）是在金属表面区域的一种自由电子和光子相互作用的形成的电磁振荡。

二、特性不同

1、表面等离子体

①、其场分布在沿着界面方向是高度局域的，是一个消逝波，且在金属场中分布比在介质中分布更集中，一般分布深度与波长量级相同。

②、在平行于表面的方向，场是可以传播的，但是由于金属的损耗存在，所以在传播的过程中会有衰减存在，传播距离有限。

③、表面等离子体波的色桐知伍散曲线处在光线的右侧，在相同频率的情况下，其波矢量比光波矢量要大。

2、表面等离激元

①、在垂直于界面的方向场强呈指数衰减。

②、 能够突破衍射极限。

③、 具有很强的局域场增强效应。

④、只能发生在介电参数(实部)符号相反(即金属和介质)的界面两猛谨侧。

三、应用不同

1、表面等离子体

①、表面等离子体波是在两种界面附近存在的波，界面两侧的折射率分布对场分布有很大的影响，利用这一点能够进行传感。这种传感技术结构简单，灵敏度高，检测过程中无需标记物，可实时监测样品结合过程。该技术可用于气体、 液体和有机薄膜等分析，主要用于生命科学和化学领域。

②、表面等离子体波具有局域分布的特性，而且其分布深度可小于波长量级，突破衍射极限，使得表面等离子体波能够应用于制作亚波长量级的光电子器件的生产，有利用光电子集成器件的制作。由于能够突破极限，所以能够应用表面等离子体效应来做近场显微镜，做曝光等等。

③、表面等离子体波在太阳能电池和LED等新型能源相关器件方面的应用。利用表面等离子体效应可以提高太阳能电池的光电转换效率，同样也可以在LED上。

2、表面等离激元

随着表面等离激元理论研究的深入以及各种结构的器件的成功制作，其在光学各领域应用具有巨大的潜力，尤其在解决了一些以往局或光学长期不能解决的问题，其中包括金属亚波长结构的增透效应在超分辨率纳米光刻、高密度数据存储、近场光学等领域的应用。

参考资料来源：

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二、表面等离激元的研究意义

在现代信息技术飞速发展的今天，对于器件微亩旦首型化和高度集成化的要求越来越高，怎样在纳米迅数尺寸的层面上实现信息传输处理成为科学研究的一个重要课题。表面等离激元能够突破衍射极限，并具有很强的局域场增强特点，可以实现纳米尺度的光信息传输与处理。另外表面等离激元的独特特性，使得它在高迟圆灵敏生物检测、传感和新型光源等领域获得了广泛的应用。

三、四川大学王卫课题组:一维金属沟槽阵列表面等离激元激发特性

近日，四川大学物理学院王卫研究员课题组在一维金属沟槽阵列量子尺寸效应下表面等离激元激发特性方面取得进展，实验上制备了一种一维金沟槽阵列，沟槽底部具有几个纳米宽的间隙，利用可见-红外宽带微区光谱表征手段，详细研究了量子尺寸效应下，该结构中表面等离激元的激发和光谱特性，并探究了其在纳米聚焦和折射率传感方面的应用。研究成果“Spectroscopic study of gap-surface plasmons in ametallic convex groove array and their applications in nanofocusing and plasmonic sensing”发表在物理领域国际著名期刊Physical Review B上。第一作者是该团队的李代敏博士，合作者是英国南安普顿大学欧俊裕（Jun-Yu Ou）博士。

金属沟槽结构是表面等离激元光子学领域非常常见和广泛研究的对象。不同形状的沟槽组成的锥形纳米沟槽可以激发间隙表面等离子体(Gap-surface plasmon，GSP)。GSP具有比普通SP模式更优越的特性，因为它具有纳米聚焦能力，可以引导并局域电磁场1、提高异常光透射现象(EOT)2以及高效的光吸收3，4 。这些独特的GSP特性可能有助于设计先进的功能器件，如超紧凑的光子组件、高效的宽带光吸收器和增强EOT滤波器。

然而，虽然很多工作对GSP特性进行了系统的理论和实验研究，但只有少数研究集中在凹槽底部具有超细轮廓的槽阵列的光学响应上。详细的光谱表征，特别是沟槽底部间隙宽度对光谱响应的影响尚未见报道。

课题组利用可见-近红外(VIS-NIR)微区光谱测量技术，详细研究了具有超窄底部宽度的一维沟槽阵列的GSP激发特性。详细分析了超尖锐沟槽的沟槽形状对于GSP二阶和三阶模式的影响。实验和理论郑冲证明：沟槽底部窄底部宽度对GSP共振位置和纳米聚焦能力起着至关重要的作用。实验观测到的GSP共振相对于模拟结果的谱移，是量子尺寸下（小于5nm），局部电流和不完美界面上电荷的非经典微观行为所产生的非局部效应。此外，利用沟槽阵列，实验上证明了在VIS-NIR范围内一个双波段的折射率传感器。

课题组的研究对象是基于一个一维超尖锐锥形沟槽纳米阵列结构(图1a)，它会激发一种GSP模式。根据光谱特征，文章主要针对GSP的二阶和三阶模式进行讨论。证明了沟槽的槽边形状对光谱的影响并不明显(图2a)。更重要的是根据实验和模拟的光谱，文章首次讨论了在槽底宽度极小的情况下，底部宽度对于光谱的存在至关重要的影响(图2b、2c)。

课题组在不同沟槽深宽的两个样品上对比了其反射谱和场增强(FieldEnhancement, EF) 曲线(图3a、3b)，发现以下特点：(1)明显的场增强发生在二阶GSP共振处，其最大增强因子达到80；(2)在三阶GSP共振处FE谱线显示明显的下降，而不是峰值；(3)FE对沟槽底部的宽度非常敏感。

文章讨论了沟槽阵列在高集成折射率传感器中的应用。实验上测量了两个样品不同环境折射率下的反射光谱（图4a，4d），并结合理论计算（图4b,4e）定量分析了沟槽阵列的双波段折射率传感喊瞎歼性能。

GSP是一种独特的等离激元共振。期望通过本工作的实验结果和理论分析，有助于提高研究者们对此类沟槽结构中激发的GSP特性的理解，以及促进它们在纳米聚神察焦、光吸收和传感中的实际应用。

参考文献

1. D. K. Gramotnev and S. I. Bozhevolnyi,Nature Photonics 8, 14(2014).

2. T. Søndergaard, S. I. Bozhevolnyi, S. M. Novikov, J. Beermann, E. Devaux and T. W. Ebbesen, Nano Letters 10, 3123 (2010).

3. T. Sondergaard, S. M. Novikov, T. Holmgaard, R. L. Eriksen, J. Beermann, Z. Han, K. Pedersen and S. I. Bozhevolnyi, Nature Communications 3,969 (2012).

4. S. Raza, N. Stenger, A. Pors, T. Holmgaard, S. Kadkhodazadeh, J. B. Wagner, K. Pedersen, M. Wubs, S. I. Bozhevolnyi and N. A. Mortensen,Nature Communications 5, 4125 (2014).

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