基于表面等离子体的传感特性研究

1. 基于表面等离子体的传感特性研究 指导老师：王磊 B10030409周雨 B10030501王明娥 B10030502李萌

2. 目录 项目目标 内容成果 存在问题及心得体会 评价总结

3. 项目目标 本课题预期成果为学术论文和研究报告各1份，并完成1份本课题课件。 熟悉表面等离子体的定义、性质、原理、激发方式，在此基础上将表面等离子体技术应用到传感特性的研究上，使用Comsol软件进行模型仿真，并能设计具有传感特性的结构器件。

4. 内容成果 表面等离子的基本概述 基于表面等离子体的传感特性设计

5. 表面等离子的基本概述 表面等离子体的定义 表面等离子体的产生原理 表面等离子体的性质 表面等离子体的激发方式 表面等离子体的应用

6. 表面等离子体的定义 表面等离子（surface plasmons）是自由电子和电磁场相互作用产生的沿金属表面传播的电子疏密波，它是一种电磁表面波，在表面处场强最大，在垂直界面方向是指数衰减场。

7. 表面等离子体的产生原理 在两种半无限大、各向同性介质构成的界面，介质的介电常数是正的实数，金属的介电常数是实部为负的复数。根据Maxwell方程，结合边界条件和材料的特性，可得电场法向分量不连续导致了在界面上出现的表面极化电荷分布，从而可以计算得出表面等离子体的场分布和色散特性。

8. 1.其场分布在沿着界面方向是高度局域的，是一个消逝波，且在金属中场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。 表面等离子体的性质

9. 表面等离子体的性质

10. 表面等离子体的激发方式 SPP的激发需满足能量和动量守恒。 上面提到一般情况下，SPP的色散曲线在光线的右侧，即在相同频率下，SPP的波矢量比光波矢量大，所以平面光波无法直接激发出SPP，需引入一些特殊的结构来满足波失匹配条件以激发SPP。 （1）采用光栅结构 （2）采用棱镜耦合方式 （3）采用波导结构 （4）采用强聚焦光束 （5）采用近场激发

11. 表面等离子体的应用 传感技术； 2.亚波长量级的光电子器件的生产，光电子集成器件的制作，如：光开关； 3.在新型能源相关器件方面的应用，如：太阳能电池等； 4.新型光刻和高清图像应用方面的极紫外光源；

12. 基于表面等离子体的传感特性研究 • 传感特性研究的结构模型 • 传感特性研究的理论推导 • 传感特性研究的仿真模型

13. 传感特性研究结构模型 右边的光栅结构主要有三层：介质层，金属层，衬底层。根据需要要，可以改变相应的材料。当平面电磁波以角度ɑ入射到光栅时，金属光栅与介质层和衬底层接触的表面上的等离子激元相互作用，在模型的不同位置处将会呈现不同的电磁场分布。 介质层 衬底层 介质层 衬底层

14. 传感特性研究结构模型 这里的参数值是预设的，在comsol里面可以根据需要对相应的参数进行扫描计算，绘图时也可以根据需要设置参数值。

15. 光栅特性理论推导

16. 光栅特性理论推导

17. 表面等离子体振荡的理论推导 • 入射光在金属和介质的界面上激励起spp波，需要满足频率匹配和波数匹配两个条件。 • 入射光在金属平面上的分量要等于spp的波数： • 对于同一频率ω，等离子体振荡的波矢大于光波矢，所以对于能力为ћω的入射光子，它的波矢必须增加Δk，才能将入射光子能量“转成”表面等离子振荡。

18. 表面等离子体振荡的理论推导

19. 传感特性研究仿真模型 • 平面电磁波入射，引起金属表面电子浓度的起伏变化，从而形成表面等离子振荡。TE波模式在传播方向上有磁场分量而无电场分量。经过理论分析，只有在垂直光栅周期方向上存在电场分量，才能够激发表面等离子体，因此以TE模形式存在的电磁波是无法激发SPP的。我们不做讨论。

20. 传感特性研究仿真模型 • TM波（p-poliarized)模式在传播方向上有电场分量而无磁场分量，以TM模的形式存在的电磁波可以激发SPP的。由于介电损耗的存在，所有模式的透射系数，反射系数都小于1。观察左图我们发现：随着入射角度的增大，1阶，-1阶模的反射系数及透射系数很小，而0阶模的反射和透射系数较大，占主导作用。0阶模的透射系数随入射角的增大而缓慢减小而反射系数在入射角不大的时候，变化缓慢，当入射角达到某一数值后反射系数为0，之后反射系数陡增。

21. 传感特性研究仿真模型 • 在使反射系数为0的角度下，我们认为激发SPP的能力最强。这主要是由金属光栅与介质层和金属层接触的表面上的金属表面等离子体激元共振增强所引起的，而所需满足的共振增强条件为： 由于波长和入射角是一一对应的，只有在共振增强的条件下才能使spp激发，此时反射系数最小，从而增强透射。

22. 传感特性研究仿真模型 • 左边两幅图是入射角一定时反射、透射系数随波长变化的曲线图。我们研究在可见光的范围内，总有一个波长，使得反射系数为0，此时spp激发从而增强透射。该波长满足共振增强条件，在光栅的透射谱上呈现一个峰值。不同的角度下，满足共振条件的波长是不同的。

23. 传感特性研究仿真模型 改变圆形金属层的尺寸，我们发现：当尺寸变小时，在0--90度的范围内，透射系数整体降低。反射率为0处的角度基本相同，由此我们认为金属层的尺寸并不影响可以使得共振加强的入射角。

24. 传感特性研究仿真模型 右边两幅图是金属层为方形，尺寸不同时，反射和透射曲线随入射角变化的曲线图。同样的，在0--90度的范围内，透射系数整体降低，反射率为0处的角度基本一致，这与上面的讨论一致。

25. 传感特性研究仿真模型 • 金属层的形状不同而其他条件相同时，我们发现：0--90度的范围内，反射系数为0处的角度基本一致，但是在该角度下，圆柱形金属层的透射系数大于方形金属层的，所以圆形金属光栅的spp增强透射的效果更好些。

26. 传感特性研究仿真模型 • 为了进一步讨论影响传感特性的因素，我们在空气层和金属层之间添加一层折射率为1.3的介质层，观察透射系数，反射系数的变化情况。

27. 传感特性研究仿真模型 这三幅图介质层的厚度依次是d,1.25d,1.5d,我们发现介质层的厚度不一样时，反射系数为0处对应的角度也是不同的。一般情况下，我们是可以通过实验测得反射系数为0处的角度，那么根据角度即可以推出介质层的厚度，从而可以制作相应的厚度传感器。

28. 存在问题 基于表面等离子体传感特性的模型较简单，对表面等离子体的相关的最新成果了解不够； 设计的基于表面等离子体传感特性的传感器，只能够初步反应传感特性的影响因素； 基于COMSOL软件的掌握，只能进行一些初步的模型仿真，对于设计复杂的传感性模型，有一定难度。

29. 学习收获 了解并掌握了一些表面等离子体的基础知识包括概念，性质原理，主要的技术应用与研究方向。 对主要关注的“基于表面等离子体的传感特性”有了一定认识，其中有：基于表面等离子体的传感特性有哪些研究方向，传感特性的影响因素，传感特性的实际应用。 了解并掌握了一些仿真软件的基本使用。 学会了如何利用仿真软件建立模型，并且进一步的优化模型。 提高了阅读文献以及论文写作的能力。

30. 评价总结 基于表面等离子体的传感特性研究作为目前表面等离子体主要应用的方向之一，有很不错研究前景。为了更加有效的研究表面等离子的传感特性，利用一些仿真软件如Rsoftcad,COMSOL等，进行模拟仿真。目前对表面等离子体的研究比较少，且我们从未用过仿真软件研究表面等离子体，对Comsol,Matlab,Rsoft也很少接触，对我们来说是一个全新的领域，具有一定的创新性。

31. 评价总结 除了应用于传感设计，随着纳米技术的发展，表面等离子体技术被广泛应用其它领域。比如讨论表面等离子体与非线性效应之间的影响；讨论全等离子体回路。 表面等离子体是有趣的现象，有许多值得研究的方向，有不错的发展前景。

32. 谢谢！