SPP效應的研究歷程與應用現狀分析

摘 要：表面等離子體激元（SPP）具有比較獨特的特性，如近場增強、局域受限、短波長等特性，有關SPP的研究越來越廣泛，基于表面等離子體激元的元器件也不斷呈現，各種SPP器件廣泛應用于化學-生物傳感等領域。

關鍵詞：表面等離子體激元；SPP效應；應用現狀

表面等離子體激元（SPP）具有近場增強、局域受限、短波長等比較獨特的特性。在SPPs的表面局域特性方面，SPPs在垂直于金屬表面電場方向的強度呈指數衰減，利用表面局域特性構造表面結構可以降低光學控制的維度，形成二維微納光學應用。在SPPs的近場增強特性上，金屬的介電常數、金屬薄膜厚度、表面粗糙程度等決定了場增強的程度。尤其是人們在研究光與納米材料相互作用時，研究金屬微納結構中局域表面等離子體的共振是一種重要方法，引起了人們的廣泛關注。這些特性已在光學、化學傳感和檢測領域均獲得了廣泛應用。

1 表面等離子體激元的研究歷程

1902年，Wood在實驗中用連續光譜的偏振光照射金屬光柵時觀測到反常的衍射現象并公開進行了描述。1941年Fano根據表面電磁波在金屬和空氣界面上的激發對由入射波照射到金屬光柵上引起的異常反射現象進行了解釋。1957 年，Ritchie發現電子穿過金屬薄片時存在“能量降低的”等離子體模式，第一次提出了 “金屬等離子體”的概念，這種“金屬等離子體”可用于描述金屬內部電子密度縱向波動。從此，表面等離子體激元成為了一門表面科學，在相關領域得到越來越多的關注。隨后，Powell 等人用實驗證實了Ritchie 的理論，而Stem等人也研究了“表面等離子共振”的條件。1968年，Kretschmann和 Otto各自利用衰減全反射（ATR）的方法證實存在光激發表面等離子共振現象。1982 年，Nylander 和 Liedberg 在氣體檢測和生物傳感領域中應用了SPR 原理。此后，SPR 傳感技術迅速發展，基于表面等離子體激元的 SPR 傳感結構設計元器件也不斷呈現，各種SPP器件在化學-生物傳感等領域得到了廣泛應用。

1944 年Bethe曾研究了完美導體薄膜中圓孔（半徑為 r）的光透射行為，得出亞波長小孔 的歸一化透射效率應該很小。但是1998年，Ebbesen在實驗上發現金屬膜上的周期性小孔結構歸一化的透射率大于1，即出現了遠場透過增強效應，這被稱為“Ebbesen 效應”。Ebbesen 發表論文指出，當金屬膜上具備亞波長二維周期孔結構時，可以實現可見光與紅外光的不正常透射，這種奇異現象（Ebbesen 效應）當時用衍射理論無法解釋清楚，引起了眾多研究者的關注，從此關于金屬微納結構的表面等離子體效應成為等離子體研究領域中的一個重要組成部分。在Ebbesen的論文中指出，在某一特定波長處的透射光能量是入射到圓孔上的光的能量的2倍，這種異常透過現象與入射光與二維圓孔陣列的表面等離子體激元的相互耦合存在著一定的關系。

目前普遍的觀點認為，二維圓孔陣列的入射光透過增強現象是由表面等離子共振所導致的，光照射到金屬薄膜的表面，激發金屬表面SPP，一面的SPP沿著孔徑隧穿到另一表面的 SPP 中耦合，最后經過金屬-介質界面發生散射，形成遠場增強透過現象。

單個孔徑的透射增強效率非常有限。如果在孔徑周圍引入類似牛眼結構、金屬狹縫-溝槽結構等周期性的溝槽結構，通過這些周期性的溝槽結構將入射光波有效耦合到SPP中，則光透射增強現象就十分顯著。相對于金屬孔徑結構，金屬顆粒結構表現出了局域的表面等離子體共振特性。當金屬顆粒結構發生共振時，該結構可以有效地將入射光波集中到金屬表面非常小的區域，實現較大局域場增強，同時增大了結構的散射截面，從而將局域場信息散射到遠場。這是實現表面增強拉曼散射的一種有效途徑。

2000年，Pendry提出銀膜微結構可以實現亞波長成像。2002年，Lezec等提出了牛眼光柵結構，這種結構可以出現光束聚焦現象，并引發了新的關于這種現象機理及應用的研究。2008年，中科院半導體研究所的花磊等人研究了中紅外下半導體摻雜調制成的表面等離子體透射增強效應，理論上研究了n型重摻GaAs薄膜上具備亞波長周期性溝槽結構時的紅外波段的異常透射現象，這種紅外波段的異常增強效應對紅外波段的濾波器、發射器和探測器都具有巨大的應用價值。

2 SPP效應的應用現狀

2.1 SPP效應當前在相關領域所取得的進展

1997年，有人研究了金屬表面形貌缺陷對SPP散射作用的影響，提出納米尺度的直線或曲線形狀表面實現對SPP的反射和聚焦。2005年，日本東京大學某研究小組實驗演示了這種情景，采用350nm直徑的凸起作為納米點缺陷，還有人采用直徑為200nm的小孔作為納米點缺陷，均實現了亞波長聚焦。他們在實驗中將這些納米點缺陷排成曲率半徑為5tan的圓弧，得到了直徑比激發光波長還小的聚焦光斑，即“亞波長聚焦”。

在亞波長結構中，由于SPP會引起電場強度的增強而產生非線性現象，利用這種非線性現象可以制作出納米量級的光學開關，發展近場非線性光學。這種光學開關的原理是基于表面等離子體效應的一種新型光開關。當外部條件改變時，影響開關結構中SPP的激發或傳輸特性，以達到開關的作用。目前報道的SPP光開關類型主要有電光開關、熱光開關及全光開關等。這些光開關可實現衍射極限尺度內的光控制功能，并能實現光子器件在納米尺度上的集成。

在陳俊學的博士論文中提出了各種復雜結構中的模式耦合、非線性光學特性及SPP在一些基本結構中的色散關系，明確了在一維和二維周期性結構陣列中，波導模式在 SPP 輔助增強透射過程中所起的作用；研究了三階非線性光學效應對于 SPP 激發和耦合的影響，并設計了基于共振元件的開關結構，通過改變入射光的偏振有效地實現了開關狀態的調控。

還有，通過錐形波導方法可實現SPP聚焦。激發的SPP沿著錐形波導傳播的過程中，由于錐形波導邊界呈梯度變化，反射光與傳播的SPP在再次傳播的過程中形成干涉，電磁場越來越集中，最后在波導尖端形成的場增強十分顯著。可見，這種錐形波導結構是可以實現電磁波的聚焦的，它能將電磁能量聚焦到更小范圍，真正實現超衍射極限的納米聚焦。

另外，在新型氣體傳感器應用方面，在傳統 SAW 氣體傳感器基礎之上，結合激光超聲檢測技術，用激光在覆有吸附性薄膜的金屬表面激發出聲表面波，利用反射式光束偏轉法在薄膜處探測金屬表面的聲表面波情況，從而檢測被測氣體的濃度。這是一種新型氣體監測方法。這種新型氣體傳感器采用了光學的方法來探測聲脈沖，屬于非接觸式檢測傳感器。

2.2 SPP效應的應用局限

目前雖然SPR 技術已經成功的應用到生物的各個領域，但是從第一個 SPR 傳感器誕生到現在僅20 多年，還是一種正處于發展初期的新技術，其方法還有很多不完善之處。基于SPP效應的表面等離子體共振技術還有待擴大其應用范圍，最好還要簡化操作，提高SPR 方法檢測的靈敏度，這就是人們進行SPP效應研究的目的之一。

例如在實際應用中，將納米粒子技術用于生物體系，極大的提高了SPR傳感器的靈敏度。一般用金納米粒子提高靈敏度有兩種方法，將金納米顆粒吸附在SPR傳感器表面，改變SPR信號特征，從而提高靈敏度。另一種是將金納米粒子與抗原耦合在一起，從而提高SPR 傳感器的靈敏度。其他還有夾心法、脂質體、乳膠粒子增強法等也可以提高 SPR技術靈敏度。

3 SPP效應的應用前景

隨著納米材料及其制備科學的成熟，納米器件的發展即將推動納米電子和光電子器件等集成電路的發展。基于一維納米材料的氣體傳感器也將在氣體檢測領域大有作為。例如目前采用金屬氧化物半導體制作電子鼻傳感器，而研發出基于納米材料的新型氣體傳感器，必然會促使電子鼻傳感器技術的發展。

光子晶體的研究也是光子學的一個熱點問題，這類器件主要是由一些半導體材料或者絕緣材料制成，該波長級器件可以控制光與物質的作用。金屬也可以用來制作光子帶隙結構，其表面上的周期性結構可改變SPP性質：當周期性結構可以控制在SPW波長的一半時，SPP的散射將會產生SPP禁帶，這種禁帶的產生與金屬的周期型結構有關，可以用來發展新型傳感設備。

參考文獻：

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作者簡介：雷菊華（1980-），女，湖南武岡人，講師，研究方向：儀器儀表。