摘 要：表面等离子体激元（SPP）具有比较独特的特性，如近场增强、局域受限、短波长等特性，有关SPP的研究越来越广泛，基于表面等离子体激元的元器件也不断呈现，各种SPP器件广泛应用于化学-生物传感等领域。
关键词：表面等离子体激元；SPP效应；应用现状
表面等离子体激元（SPP）具有近场增强、局域受限、短波长等比较独特的特性。在SPPs的表面局域特性方面，SPPs在垂直于金属表面电场方向的强度呈指数衰减，利用表面局域特性构造表面结构可以降低光学控制的维度，形成二维微纳光学应用。在SPPs的近场增强特性上，金属的介电常数、金属薄膜厚度、表面粗糙程度等决定了场增强的程度。尤其是人们在研究光与纳米材料相互作用时，研究金属微纳结构中局域表面等离子体的共振是一种重要方法，引起了人们的广泛关注。这些特性已在光学、化学传感和检测领域均获得了广泛应用。
1 表面等离子体激元的研究历程
1902年，Wood在实验中用连续光谱的偏振光照射金属光栅时观测到反常的衍射现象并公开进行了描述。1941年Fano根据表面电磁波在金属和空气界面上的激发对由入射波照射到金属光栅上引起的异常反射现象进行了解释。1957 年，Ritchie发现电子穿过金属薄片时存在“能量降低的”等离子体模式，第一次提出了 “金属等离子体”的概念，这种“金属等离子体”可用于描述金属内部电子密度纵向波动。从此，表面等离子体激元成为了一门表面科学，在相关领域得到越来越多的关注。随后，Powell 等人用实验证实了Ritchie 的理论，而Stem等人也研究了“表面等离子共振”的条件。1968年，Kretschmann和 Otto各自利用衰减全反射（ATR）的方法证实存在光激发表面等离子共振现象。1982 年，Nylander 和 Liedberg 在气体检测和生物传感领域中应用了SPR 原理。此后，SPR 传感技术迅速发展，基于表面等离子体激元的 SPR 传感结构设计元器件也不断呈现，各种SPP器件在化学-生物传感等领域得到了广泛应用。
1944 年Bethe曾研究了完美导体薄膜中圆孔（半径为 r）的光透射行为，得出亚波长小孔 的归一化透射效率应该很小。但是1998年，Ebbesen在实验上发现金属膜上的周期性小孔结构归一化的透射率大于1，即出现了远场透过增强效应，这被称为“Ebbesen 效应”。Ebbesen 发表论文指出，当金属膜上具备亚波长二维周期孔结构时，可以实现可见光与红外光的不正常透射，这种奇异现象（Ebbesen 效应）当时用衍射理论无法解释清楚，引起了众多研究者的关注，从此关于金属微纳结构的表面等离子体效应成为等离子体研究领域中的一个重要组成部分。在Ebbesen的论文中指出，在某一特定波长处的透射光能量是入射到圆孔上的光的能量的2倍，这种异常透过现象与入射光与二维圆孔阵列的表面等离子体激元的相互耦合存在着一定的关系。
目前普遍的观点认为，二维圆孔阵列的入射光透过增强现象是由表面等离子共振所导致的，光照射到金属薄膜的表面，激发金属表面SPP，一面的SPP沿着孔径隧穿到另一表面的 SPP 中耦合，最后经过金属-介质界面发生散射，形成远场增强透过现象。
单个孔径的透射增强效率非常有限。如果在孔径周围引入类似牛眼结构、金属狭缝-沟槽结构等周期性的沟槽结构，通过这些周期性的沟槽结构将入射光波有效耦合到SPP中，则光透射增强现象就十分显著。相对于金属孔径结构，金属颗粒结构表现出了局域的表面等离子体共振特性。当金属颗粒结构发生共振时，该结构可以有效地将入射光波集中到金属表面非常小的区域，实现较大局域场增强，同时增大了结构的散射截面，从而将局域场信息散射到远场。这是实现表面增强拉曼散射的一种有效途径。
2000年，Pendry提出银膜微结构可以实现亚波长成像。2002年，Lezec等提出了牛眼光栅结构，这种结构可以出现光束聚焦现象，并引发了新的关于这种现象机理及应用的研究。2008年，中科院半导体研究所的花磊等人研究了中红外下半导体掺杂调制成的表面等离子体透射增强效应，理论上研究了n型重掺GaAs薄膜上具备亚波长周期性沟槽结构时的红外波段的异常透射现象，这种红外波段的异常增强效应对红外波段的滤波器、发射器和探测器都具有巨大的应用价值。
2 SPP效应的应用现状
2.1 SPP效应当前在相关领域所取得的进展
1997年，有人研究了金属表面形貌缺陷对SPP散射作用的影响，提出纳米尺度的直线或曲线形状表面实现对SPP的反射和聚焦。2005年，日本东京大学某研究小组实验演示了这种情景，采用350nm直径的凸起作为纳米点缺陷，还有人采用直径为200nm的小孔作为纳米点缺陷，均实现了亚波长聚焦。他们在实验中将这些纳米点缺陷排成曲率半径为5tan的圆弧，得到了直径比激发光波长还小的聚焦光斑，即“亚波长聚焦”。
在亚波长结构中，由于SPP会引起电场强度的增强而产生非线性现象，利用这种非线性现象可以制作出纳米量级的光学开关，发展近场非线性光学。这种光学开关的原理是基于表面等离子体效应的一种新型光开关。当外部条件改变时，影响开关结构中SPP的激发或传输特性，以达到开关的作用。目前报道的SPP光开关类型主要有电光开关、热光开关及全光开关等。这些光开关可实现衍射极限尺度内的光控制功能，并能实现光子器件在纳米尺度上的集成。
在陈俊学的博士论文中提出了各种复杂结构中的模式耦合、非线性光学特性及SPP在一些基本结构中的色散关系，明确了在一维和二维周期性结构阵列中，波导模式在 SPP 辅助增强透射过程中所起的作用；研究了三阶非线性光学效应对于 SPP 激发和耦合的影响，并设计了基于共振元件的开关结构，通过改变入射光的偏振有效地实现了开关状态的调控。
还有，通过锥形波导方法可实现SPP聚焦。激发的SPP沿着锥形波导传播的过程中，由于锥形波导边界呈梯度变化，反射光与传播的SPP在再次传播的过程中形成干涉，电磁场越来越集中，最后在波导尖端形成的场增强十分显著。可见，这种锥形波导结构是可以实现电磁波的聚焦的，它能将电磁能量聚焦到更小范围，真正实现超衍射极限的纳米聚焦。
另外，在新型气体传感器应用方面，在传统 SAW 气体传感器基础之上，结合激光超声检测技术，用激光在覆有吸附性薄膜的金属表面激发出声表面波，利用反射式光束偏转法在薄膜处探测金属表面的声表面波情况，从而检测被测气体的浓度。这是一种新型气体监测方法。这种新型气体传感器采用了光学的方法来探测声脉冲，属于非接触式检测传感器。
2.2 SPP效应的应用局限
目前虽然SPR 技术已经成功的应用到生物的各个领域，但是从第一个 SPR 传感器诞生到现在仅20 多年，还是一种正处于发展初期的新技术，其方法还有很多不完善之处。基于SPP效应的表面等离子体共振技术还有待扩大其应用范围，最好还要简化操作，提高SPR 方法检测的灵敏度，这就是人们进行SPP效应研究的目的之一。
例如在实际应用中，将纳米粒子技术用于生物体系，极大的提高了SPR传感器的灵敏度。一般用金纳米粒子提高灵敏度有两种方法，将金纳米颗粒吸附在SPR传感器表面，改变SPR信号特征，从而提高灵敏度。另一种是将金纳米粒子与抗原耦合在一起，从而提高SPR 传感器的灵敏度。其他还有夹心法、脂质体、乳胶粒子增强法等也可以提高 SPR技术灵敏度。
3 SPP效应的应用前景
随着纳米材料及其制备科学的成熟，纳米器件的发展即将推动纳米电子和光电子器件等集成电路的发展。基于一维纳米材料的气体传感器也将在气体检测领域大有作为。例如目前采用金属氧化物半导体制作电子鼻传感器，而研发出基于纳米材料的新型气体传感器，必然会促使电子鼻传感器技术的发展。
光子晶体的研究也是光子学的一个热点问题，这类器件主要是由一些半导体材料或者绝缘材料制成，该波长级器件可以控制光与物质的作用。金属也可以用来制作光子带隙结构，其表面上的周期性结构可改变SPP性质：当周期性结构可以控制在SPW波长的一半时，SPP的散射将会产生SPP禁带，这种禁带的产生与金属的周期型结构有关，可以用来发展新型传感设备。
参考文献：
[1]花磊，宋国锋，郭宝山等，中红外下半导体掺杂调制的表面等离子体透射增强效应[J].物理学报，2008，57（11）.
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[4]我国在纳米结构气体传感器研究方面取得新进展[J].科技信息，2012，9（01）：38.
作者简介：雷菊华（1980-），女，湖南武冈人，讲师，研究方向：仪器仪表。