什么是表面等离子体光子学？

在过去的几十年中，电子和光子学取得了长足进步，显著改进了数据处理技术，使我们的生活发生了翻天覆地的变化。

表面等离子体光子学描述了在金属-电介质界面上对光信号进行纳米级（十亿分之一米）操作。受光子学的启发，表面等离子体光子学利用了金属纳米结构的独特属性，使得在近原子尺度下传输光信号成为可能。

在同一半导体芯片上集成传统的光子学和电子学与表面等离子体光子学具有显著的优势，可创造出超高速的计算机芯片和光通信器件，并为超灵敏传感器和显微镜提供动力。

当加州理工学院的Atwater教授于2007年首次提出表面等离子体光子学概念时，他预测该技术将催生一系列应用，包括从超灵敏的生物传感到隐身斗篷。

无论何种应用，表面等离子体光子学都依赖于在金属-电介质界面操作电磁场和自由电子之间的相互作用——电介质是一种可在电场的作用下极化的绝缘体（如玻璃或空气）。控制金属电气和光学属性的自由电子会在电磁场（即光）中振荡，并产生一种被称为表面等离子体的现象。 

什么是表面等离子体共振？

在纳米级，自由电子被限制在微小的空间区域里，从而限制了其振动的频率范围。当与光相互作用时，自由电子会吸收与其振动频率相匹配的光（同时反射其余部分的光），这意味着它们处于共振状态，因此成为“表面等离子体共振”（SPR）。SPR可应用于纳米棒、纳米线、纳米光子和其他形式的纳米技术。

表面等离子体光子学的技术驱动因素

自首批基于芯片的半导体问世以来，我们这个数据驱动型社会已取得长足发展，并生产出了越来越小、越来越快的处理器。然而，器件尺寸不断缩小给其自身带来了挑战，同时也使其受到热问题和处理速度的限制。

光学互连，凭借其大带宽（数据传输容量），提供了一种前景光明的解决方案。然而，光的衍射极限是限制光子组件尺寸缩小（即限制在光波长的一半左右）的重要因素。因此，光子器件通常比其电子器件大一到两个数量级。

业界正在做出巨大努力，旨在利用表面等离子体的独特属性，将电子器件的尺寸效率与光子学的数据效率相结合。

表面等离子体光子学的挑战

表面等离子体的传播仅在其移动几毫米之后就会受到欧姆损耗的抑制，因此业界正在研发由石墨烯、金属氧化物和氮化物等等离子体纳米粒子构建的等离子体学纳米结构，以应对该挑战。

热是另一项挑战——它会影响等离子体信号的传播长度和振幅。

具有合适电气和光学属性组合的金属纳米结构和几何结构可能可以解决这些挑战。这是因为，铜、银、铝、金等其他材料中的金属纳米结构允许表面等离子体激元（SPP）传播。

SPP是在金属-电介质界面传播的共振电子振荡。其会产生强烈的光-物质相互作用，从而增强光电应用中的弱光学效应。

表面等离子体光波导

SPP可以被视为特殊类型的光波。因此，金属互连可支持这些波在金属-电介质界面传播，并用作光波导或表面等离子体光波导。

SPP可用复波矢量表示。该矢量的虚部与SPP传播长度成反比，而实部与约束成正比。

表面等离子体与电路设计的实际集成，取决于传播长度和约束之间的反比关系的平衡。理想情况下，表面等离子体光波导可同时最大限度增加表面等离子体的约束和传播长度，以获得最佳效果。

表面等离子体激元传播造成的耗散损耗可以通过增益放大或集成光纤等光子元件来抵消，从而产生混合表面等离子体光波导。

表面等离子体光波导呈亚波长模态，小于光的衍射极限。在小于光的波长下的SPP传播方式是可能的，这一想法让业界振奋不已，从而为能够在光学频率下进行纳米级信息处理的芯片级器件开辟了可能性。

常见的表面等离子体光波导类型包括金属-绝缘体-金属（MIM）、绝缘体-金属-绝缘体（IMI）、通道等离子体激元（CPP）和间隙等离子体激元（GPP）波导。

超材料（metamaterial）是一种呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料。超材料的特性源于其独特的尺寸、形状、几何结构和方向，使其能够以新的有利方式弯曲、阻止、吸收或增强电磁波。超材料以重复模式排列，大小尺度小于其作用的波长。

在表面等离子体光子学超材料中，表面等离子体为这些材料赋予了独特的属性。在某些条件下，入射光与表面等离子体在金属-电介质界面处耦合，形成自维持，其传播的电磁波被称为表面等离子体激元（SPP）。

这些SPP的属性源于底层金属纳米粒子的结构。SPP在比入射光更短的波长下显示出可调特性。表面等离子体光子学超材料的示例包括：周期性排列的金纳米粒子（纳米立方体）以及银和金纳米壳层。

由于表面等离子体光子学超材料的属性来自亚波长尺度下金属纳米粒子的排列，因此工程师可以控制色散、介电常数、磁导率和折射率等属性，以实现一系列新颖的应用。

负折射率表面等离子体光子学超材料

当光线从一个介质传播到另一个介质时，例如从空气到水，它会在穿过法线（垂直于表面的平面）时弯曲。在负折射率材料中，这种弯曲发生在相反方向，这意味着光的电磁能量以与其传播波前相反的方向传输。 

由于材料的折射率与其介电常数有关，而介电常数反过来又会影响其电磁传播长度，因此负折射率超材料提供了可调的光学属性，超越了传统透镜、反射镜和光学设备的能力。

渐变折射率表面等离子体光子学超材料

此外，表面等离子体光子学超材料也可以经过配置，以沿着其长度或表面显示不同的折射率。例如，可以通过使用电子束光刻将PMMA等合成聚合物沉积到金纳米表面来制造这些材料。

渐变折射率表面等离子体光子学超材料，被用于制造吕内堡透镜和伊顿透镜，这些透镜与表面等离子体激元相互作用，而不是与传统的光子相互作用。

此外，业界还提出了三维负折射率超材料，其可能通过自装配、多层薄膜沉积和聚焦离子束铣削进行制造。

负辐射压力超材料

将光照射在传统材料（即显示正折射率）上会产生正辐射压力，这意味着材料被推离光源。而负折射率材料上会发生相反的效应，这意味着材料被拉向光源。

这可被用于诸如提高光源和激光器操作中的能量传递效率和光吸收，或改善薄膜太阳能电池中的光吸收。

双曲超材料

双曲超材料可表现为金属或电介质，具体取决于光的传播方向。在这种情况下，材料的色散关系形成了双曲面，从而（理论上）产生无限小的传播波长。

双曲超曲面已在银和金纳米结构上得到了证明，此类结构具有增强的传感和成像功能（负折射、无衍射等）。因此，这些结构在光学集成电路内部的量子信息处理方面提供了富有前景的应用。

此外，双曲型超晶格可以通过兼容的晶体结构 （如氮化钛和氮化铝钪）组合形成。与金和银不同，这些材料与现有CMOS组件兼容，并且在较高温度下具有热稳定性。由于光子密度较高（相比于金或银），这些材料也是有效的光吸收剂。

双曲超材料开辟了各种可能性，例如可提供先进传感功能的平面透镜、无衍射成像、超灵敏光学显微镜、纳米谐振器等。

共振纳米结构

共振纳米结构具有光-物质相互作用所需的强度，电磁相互作用所需的高局域化，以及散射和吸收所需的大横截面。其可以用作高效的超透镜、聚光镜、纳米谐振器和亚波长波导。

表面等离子体光子学依赖于在金属-电介质界面的纳米结构中发生的光学过程。表面等离子体激元，是自由载流子电子和光子在这些界面上相互作用产生的高度约束电磁波。

SPP的可调属性实现了对光-物质相互作用进行纳米级控制，从而在衍射极限光子器件和新一代集成电路纳米级电子器件之间建立了一座桥梁。

纳米级光信号的产生、放大、处理和路由为电信、生物化学、能量收集和传感等不同领域的应用提供了许多机会。

以下是一些等离子体-电子-光子混合集成电路潜在应用的突出示例。

传感器和生物传感器

表面等离子体光子学材料支持局域表面等离子体共振（LSPR），可增强局部电磁场，从而显著改进光谱学和传感应用。

例如，等离子体诱导共振能量转移（PIRET）可用于提高发光二极管（LED）的效率以及荧光传感器的性能。

表面等离子体光子学的强大应用之一是：用于检测微量生物或化学制剂的传感器。在一个案例中，研究人员将一种容易与细菌毒素结合的物质涂在表面等离子体光子学纳米材料上。这种毒素的存在改变了表面等离子体的频率，因此改变了反射光的角度——这种效应可以非常精确地进行测量，即使是极小的毒素量也能被检测到。

表面等离子体光子学技术在传感方面的其他应用包括：区分病毒感染和细菌感染，以及用于监测充电速率和功率密度的电池内部传感器。

表面等离子体共振（SPR）传感器

SPR传感器可有效取代基于色谱的环境污染物检测技术。事实证明，SPR传感技术能够与色谱法一样准确地检测氯丁二烯，同时还能更快地获得结果。

在其他领域，光纤SPR技术（即在光纤末端使用SPR传感器），可促进光与表面等离子体的耦合。这有助于实现超灵敏、紧凑的传感器件，其对于遥感应用特别实用。

石墨烯等离子体

在金纳米结构上对石墨烯分层，被证明可提高SPR传感器的性能。石墨烯的低折射率可最大限度地减少干扰，而其较大的表面积有助于捕获生物分子。

因此，采用石墨烯可扩展SPR传感器的应用范围。此外，石墨烯还可提高SPR传感器在制造过程中对高温退火的耐受性。

光伏

金类等离子体材料——包括金、铜和银，已被用于光伏和太阳能电池。这些材料作为电子和空穴供体，在为物联网网络中的智能传感器供电方面发挥着重要作用。

此外，表面等离子体光子学纳米材料还可以改善LED的光提取，提高其亮度和效率，从而实现低成本、柔性和轻量化的LED显示屏。

光学计算

光计算旨在通过将电子器件与光处理器件互换来充分利用光信号的高带宽。

例如，2014年，研究人员制作了一种由二氧化钒等离子体材料制成的200 nm太赫兹光开关。二氧化钒显示出在不透明金属相和透明半导体相之间转换的能力。

二氧化钒纳米粒子沉积在玻璃基板上，并与充当等离子体光电阴极的金纳米粒子叠加。随后，研究人员施加了短激光脉冲，使自由电子从金纳米粒子跳到二氧化钒超材料上，从而产生短暂的相变。

二氧化钒开关与现有的硅基芯片兼容，并在光谱的近红外和可见区域工作。近红外光对于电信和光通信至关重要，而可见光对于传感器和显微镜至关重要。

表面等离子体光子学超材料还可以帮助磁盘上的热辅助磁存储器的存储——通过在写入时加热磁盘上的小点来增加存储器存储。

显微镜

亚波长表面等离子体光子学的一个显著应用是超出光衍射极限的显微镜应用。该衍射极限使传统显微镜（显示正折射率）无法分辨小于一半的光波长的物体。

由负折射率表面等离子体光子学材料制成的透镜可以解决衍射极限问题，产生能够捕获传统显微镜视野之外的空间信息的超透镜，其应用于光开关、光电探测器、调制器和定向光发射器。 

在过去几十年中，半导体行业在将电子器件缩小到纳米级方面取得了巨大进步。然而，在追求10GHz以上的电路时，信号延迟问题会带来重大挑战。

虽然光子器件提供了巨大的带宽，但衍射限制了光子组件的尺寸。而表面等离子体光子学纳米技术，在微观尺度（百万分之一米）的光子学领域和纳米尺度（十亿分之一米）的电子领域之间架起了桥梁。

随着研究人员能够使用石墨烯等新型超材料，表面等离子体光子学的未来前景一片光明。一旦企业能够生产出稳健、可靠且价格合理的等离子体器件，表面等离子体光子学纳米技术将成为为新一代10GHz+集成电路板提供必要协同作用的关键。

到2031年，表面等离子体光子学材料市场的价值将从2023年的近110亿美元增长到近400亿美元，年增长率约为15.5%。

如欲了解有关表面等离子体光子学应用的更多信息，请访问表面等离子体光子学应用专题页面。

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