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。

大家好，今天微星自动化（http://wxdcn.com/）小编关注到一个比较有意思的话题，就是关于表面等离子激元的问题，于是微星自动化小编就整理了5个相关介绍表面等离子激元的解答，让我们一起看看吧。

文章目录：

1. 表面等离子体和表面等离激元的区别
2. 表面等离激元的表面等离激元的基本性质
3. 表面等离子体激元中“激元”怎么理解
4. 表面等离激元的研究意义
5. Nature Commun.: 混合维度范德华异质结构中的电可调控的等离体激元

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、表面等离激元的表面等离激元的基本性质

表面等离激元是外界光场与金属中自由电子相互作用的电磁模，在这种相互作用下外界光场被集体振荡的电子俘获，构成了具有独特性质的SPPs。在平坦的金属/介质界面，SPPs沿着表面传播，由于金属中欧姆热效应，它们将逐渐耗尽能量，只能传播到有限的距离，大约是纳米或微米数量级。只有当结构尺寸可以与SPPs传播距离相比拟时，SPPs特性和效应才会显露出来。随着工艺技术的不断进步，现今已经可以制作特征尺寸为微米和纳米级的电子元件和回路，在这个领域的研究也迅速开展起来。

表面等离激元主要具有如下的的基本性质:

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)的界面两侧。

三、表面等离子体激元中“激元”怎么理解

表面等离子体通常出现在金属层和电介质层的表面分界处，本质上是金属内的自由电子所形成的密度波，是一种非定域的，相干的电子振荡，在垂直于界面方向呈e指数衰减。 所谓“激元”，可以理解为被激发的表面等离子体，因为如果想要利用表面等离子体的性质，就必须提供源源不断的激发。激发方式可以用电或者激光，需要满足一定的激发条件。

四、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，对于器件微型化和高度集成化的要求越来越高，怎样在纳米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，使得它在高灵敏生物检测、传感和新型光源等领域获得了广泛的应用。

五、Nature Commun.: 混合维度范德华异质结构中的电可调控的等离体激元

表面等离体激元是自由电荷和电磁波耦合形成的集体电磁振荡模式，能够在纳米尺度上操纵光与物质的相互作用。不同金属结构中的等离体激元的色散模式取决于它们的空间维数，并且已经在基础物理学和应用技术中得到深入研究。 加州大学伯克利分校王胜及其导师王枫和合作者 最近报导了来自一维碳纳米管和二维石墨烯形成的混合维度范德华异质结构中的杂化等离体激元[1]。金属碳纳米管中等离体激元具有同常规等离体激元截然不同的量子特性，其等离体激元特性与载流子密度无关，故而无法通过栅极电压调控[2][3][4]。与此相反，碳纳米管/石墨烯异质结构中的等离体激元波长能够被栅极电压连续调控，且调控幅度高达75%，并与此同时保持了一维体系中等离体激元超空间压缩和低损耗的优异特性。这表明混合维度范德华异质结构能够实现兼具各种不同功能的电可调控的等离体激元纳米元件。该成果发表在国际期刊 《Nature Communications》 上[1]。

第一作者：王胜,SeokJae Yoo, Sihan Zhao,伯克利

通讯作者：王胜,SeokJae Yoo, 王枫,伯克利

表面等离体激元是自由电荷和电磁波耦合形成的集体振荡模式, 并能在超越衍射极限的纳米尺度之下调控光与物质的相互作用。材料体系的空间维度对等离体激元的特性有深远的影响。在碳纳米管等一维材料中，电子之间的强关联相互作用形成Luttinger液体，导致一维Luttinger液体体系呈现特殊的量子等离体激元特性。在金属性碳纳米管中，等离体激元结合了非色散的传播速度，深亚波长局域，以及低损耗等优异特性，但由于该体系中的量子等离体激元不随载流子浓度变化故而无法被栅极电压调控[2][3][4]。被氮化硼二维薄膜包裹的二维石墨烯中的等离体激元能够很好地被栅极电压调控。不同维度材料之间等离体激元的耦合可以极大地改变等离体激元的色散性质并呈现新的性能，然而这种混合维度材料中的等离体激元模式尚未得到探测。

鉴于此， 加州大学伯克利分校王胜及其导师王枫和合作者 设计并制备了碳纳米管/氮化硼/石墨烯混合维度的范德华异质结构并研究了该混合维度异质结构中碳纳米管等离体激元和石墨烯等离体激元的强耦合作用。亮点如下：

亮点1. 借鉴二维材料中的基于温控黏性塑料薄膜的干法转移堆叠技术，成功可控地制备了干净的碳纳米管/氮化硼/石墨烯混合维度异质结构，并用自己搭建的灵敏度极高的扫描近场光学显微镜系统性地研究了该体系中的杂化等离体激元模式。

a SWNT/h-BN/Graphene异质结构中等离体激元的红外纳米成像示意图。设计的混合维度异质结构通过基于温控黏性塑料薄膜的干法转移堆叠技术实现，自上而下布局为SWNT/Top h-BN/Graphene/Bottom h-BN/SiO2/Si。石墨烯载流子密度可以通过施加的栅极电压Vg所连续调控。为实现基于扫描近场光学显微镜的红外纳米成像，使用波长为10.6 μm的红外激光照射原子力显微镜的针尖尖端并收集来自尖端的弹性散射光。b 石墨烯和顶部h-BN层的边界分别用黑色和绿色虚线勾勒出轮廓。石墨烯和顶部h-BN之间的重叠区域以及其顶部的碳纳米管（光学不可见）构成了SWNT/h-BN/Graphene异质结构。c , d 异质结构代表性区域的高度像和相应的近场图像。c 中的M1和M2是金属碳纳米管，由于等离体激元的激发，在近场图像中具有明亮的对比度，而c 中的S是半导体碳纳米管，由于缺乏自由电子，近场响应可忽略不计。

亮点2. 通过栅极电压电调控石墨烯中等离体激元的波长以实现同金属碳纳米管中等离体激元波长相匹配，从而实现两种等离体激元模式的强耦合作用。该强耦合作用形成的杂化等离体激元兼具了碳纳米管等离体激元深亚波长局域以及低损耗的特性，同时也具有石墨烯等离体激元电可调控的特性。这些特性是单一体系中等离体激元难以兼具的，故而这种混合维度等离体激元体系能够实现兼具各种优异性能的电可调控的纳米光学器件。

a 长SWNT M1的高度像。b – i 在40到-100 V的不同栅极电压下SWNT M1的相对应的近场图像。与碳纳米管平行的双条纹源于针尖尖端激发和碳纳米管反射的石墨烯等离体激元波之间的干涉。随着栅极电压的增加，双条纹变得更加明显且更加分开。这种演化表明石墨烯载流子密度和相应的石墨烯等离体激元能够由施加的栅极电压连续调节。我们清楚地观察到碳纳米管末端附近显著的近场信号振荡，并且它们敏感地依赖于栅极电压。等离体激元波长λp等于近场图像中振荡周期的两倍，由白色双箭头（d和i）所标记，并且随着栅极电压远离0V而变得更长。j 短SWNT M2的高度像。k – s SWNT M2在40到-120 V的各种栅极电压下的相对应的近场图像。SWNT M2作为法布里-珀罗等离体激元纳米腔，其中传播的等离体激元在纳米腔两端来回反射并产生集体响应。从m - s，波腹的数量从7减少到4，实现的等离体波激元调控幅度约为 75%。

参考文献

[1] Wang, Sheng et al. Gate-tunable plasmons in mixed-dimensional van der Waals heterostructures. Nature Communications 12, 5039 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-25269-0

[2] Wang, Sheng, et al. "Nonlinear Luttinger liquid plasmons in semiconducting single-walled carbon nanotubes." Nature Materials 19, 986-991 (2020).

https://doi.org/10.1038/s41563-020-0652-5

以及本公众号往期文章“半导体碳纳米管中的非线性拉廷格液体等离体激元”。

[3] Wang, Sheng, et al. "Logarithm Diameter Scaling and Carrier Density Independence of One-Dimensional Luttinger Liquid Plasmon." Nano Letters 4, 2360-2365 (2019):2360-2365.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b05031

[4] Wang, Sheng, et al. "Metallic Carbon Nanotube Nanocavities as Ultra-compact and Low-loss Fabry-Perot Plasmonic Resonators." Nano Letters 4, 2695-2702 (2020).

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.0c00315

以及本公众号往期文章“NanoLett.：金属碳纳米管纳米腔：超紧凑和低损耗法布里-珀罗等离激元谐振器”。

文章链接

https://doi.org/10.1038/s41467-021-25269-0

本文转自：

https://mp.weixin.qq.com/s/4e2wo8OnMiGt6WADQ_4AXw

等离激元前沿

到此，以上就是微星自动化小编对于表面等离子激元的问题就介绍到这了，希望介绍关于表面等离子激元的5点解答对大家有用。