什麼是電漿子學？

過去的幾十年中，電子學與光子學取得了顯著的進展，帶來了資料處理技術的巨大提升，極大地改善了我們的生活。

電漿子學描述在金屬介電質介面上的奈米光學表現 (十億分之一公尺) 。電漿子學受到光子學技術的啟發，利用金屬奈米結構的獨特性質，可在近原子尺度下影響光訊號。

將傳統光子學和電子學與電漿子學整合在同一半導體晶片上可帶來顯著優勢，能產出速度超快的電腦晶片和光學通訊裝置，並驅動超靈敏感應器和顯微鏡。

加州理工學院的 Atwater 教授首次在 2007 年發表電漿子學的概念時，便預測此技術將會廣泛衍生出各種應用，包括超靈敏生物感應以及隱形斗篷。

無論是哪種應用，電漿子學均須倚賴在金屬介面操作電磁場和自由電子之間的交互作用，其中介電質是可以藉由電場應用來極化的絕緣體 (例如玻璃或空氣)。自由電子控制金屬的電子和光學特性，會在電磁場 (即光) 存在時發生振盪，並產生稱為表面電漿子的現象。 

什麼是表面電漿子共振？

在奈米尺度下，自由電子受限於狹小的空間範圍內，因而限制了電子振動的頻率範圍。自由電子與光交互作用時，會吸收與自身振動頻率相符的光 (反射其餘的光)，表示雙方產生共振，因此稱為「表面電漿子共振」(SPR)。奈米棒、奈米線、奈米光子學和其他形式的奈米科技皆可運用 SPR。

促成電漿子學技術發展的因素

我們資料導向的社會自從第一代晶片型半導體推出以來，已有長足進展，能製造出更小、更快速的處理器。然而，裝置尺寸不斷縮小，也形成散熱問題和處理速度限制，對其本身帶來挑戰。

具備大頻寬 (資料傳輸容量) 的光學互連是前景看好的解決方案。然而，光的繞射極限是限制光子元件縮小 (至約光波長的一半) 的重要因素。因此，光子裝置的尺寸通常比其同類的電子裝置大一到兩個數量級。

我們投入龐大心力在利用表面電漿子的獨特特性，以結合電子技術的尺寸效率與光子的資料效率。

電漿子學的挑戰

由於歐姆損耗在表面電漿子傳播幾毫米後才會造成衰減，因此學者正在研究由石墨烯、金屬氧化物和氮化物等電漿子奈米粒子構成的電漿子奈米結構。

熱能則是另一項挑戰，可能會影響電漿子訊號的傳播長度和振幅。

展現電子和光學特性之正確組合的金屬奈米結構和幾何，或許可以克服這些困難。這是因為銅、銀、鋁、金及其他物質中的金屬奈米結構可傳播表面電漿極化子 (SPP)。

SPP 是在金屬介電質介面傳播的共振電子振盪，會引發強烈的光與物質交互作用，可增強光學電子應用的微弱光學效應。

電漿子波導

您可以將 SPP 想像成一種特殊的光波。因此，支援這類波在介電質金屬介面傳播的金屬互連，便具有光波導或電漿子波導的特性。

SPP 以複雜的波向量表示。這個向量的虛部與 SPP 傳播長度成反比，而實部則與局限成正比。

在實務上，在電路設計中整合表面電漿子，取決於傳播長度與限制之間的反向關係。理想的情況是，電漿子波導將表面電漿子的局限與傳播長度最大化，以達到最佳效果。

表面電漿極化子傳播所自然產生的損耗，可以透過增益放大或整合光子元件 (如光纖) 來解決，進而實現混合型電漿子波導。

電漿子波導呈現次波長模式，尺度小於光的繞射極限。SPP 傳播模式的波長可能小於光波長的構想引起莫大的期待，這樣便有可能製造出可在光學頻率下進行奈米級資訊處理的晶片尺寸裝置。

電漿子波導的常見類型包括金屬絕緣層金屬 (MIM)、絕緣層金屬絕緣層 (IMI)、通道電漿極化子 (CPP) 以及間隙電漿極化子 (GPP) 波導。

超穎物質是一種複合物質，可展示其組成物質未顯現的特性。超穎物質的特性來自於其獨特的大小、形狀、幾何和方位，讓超穎物質能夠以全新且有利的方式彎曲、阻斷、吸收或增強電磁波。超穎物質以比要影響的現象波長更小的尺度，依重複模式排列。

電漿子超穎物質是由表面電漿子賦予這些物質其獨特的特性。在某些情況下，入射光與金屬介電質介面上的表面電漿子耦合，形成可自行維持並傳播的電磁波，稱為表面電漿極化子 (SPP)。

這些 SPP 的特性來自於基礎金屬奈米粒子的結構。在比入射光波長更短的範圍內，SPP 會顯現可調控特徵。電漿子超穎物質的例子包括金奈米粒子 (奈米立方體)，以及依週期性排列的銀和金奈米殼。

由於電漿子超穎物質的特性來自金屬奈米粒子在次波長尺度的排列，工程師可以操控諸如色散、介電常數、磁導率和折射率等特性，實現各種新穎的應用。

負折射率電漿子超穎物質

當光從一種介質傳播到另一種介質時，例如從空氣進入水中，在穿越垂直於表面的法線時會彎曲。在負折射率物質中，此彎曲會朝相反方向，表示來自光的電磁能量會沿著與傳播波前相反的方向傳輸。 

由於物質的折射率與其介電常數相關，並會因此影響物質的電磁傳播長度，所以負折射率超穎物質擁有可調控的光學特性，可超越傳統鏡頭、鏡面和光學裝置的功能。

梯度折射率電漿子超穎物質

電漿子超穎物質也可以設定成在其長度或表面上顯示出不同的折射率。舉例來說，透過使用電子束微影技術，將合成聚合物 (如 PMMA) 沉積到金奈米表面，便可製造出這類物質。

人們使用梯度折射率電漿子超穎物質來製造 Luneburg 和 Eaton 鏡片，此類鏡片與表面電漿極化子而非傳統光子的光交互作用。

學者也提出三維負折射率超穎物質，可能可以透過自組裝、多層薄膜沉積和聚焦離子束研磨來製造。

負輻射壓超穎物質

對傳統物質照射光線 (即顯示正折射率) 會產生正輻射壓，表示該物質被推離光源。負折射率物質則會出現相反的效果，表示該物質被拉往光源。

例如，此物質可應用於提高光源和雷射運作的能源傳輸效率和光線吸收，或是改善薄膜太陽能電池的光吸收效率。

雙曲超穎物質

根據光的行進方向，雙曲超穎物質會表現為金屬或介電質。在這種情況下，物質的色散關係形成一個雙曲面，理論上會產生無限小的傳播波長。

銀和金奈米結構已實證出雙曲超表面的存在。這些結構展現出更好的感應和造影能力 (負折射、無繞射等)，因此在光學積體電路內部的量子資訊處理方面，可提供前景看好的應用。

此外，透過相容的水晶結構之結合，例如氮化鈦和氮化鋁鈧，可形成雙曲超晶格。與金和銀不同，這些物質與現有的 CMOS 元件相容，並能在較高溫度下維持熱穩定。由於展現出比金或銀更高的光子密度，所以吸光效率也高。

雙曲超穎物質創造出很多可能性，例如提供進階感應功能的平面鏡片、無繞射造影、超靈敏光學顯微鏡、奈米共振器等。

共振奈米結構

共振奈米結構展現出光與物質交互作用所需要的強度、電磁交互作用的高局域化，以及大型的散射截面與吸收截面。共振奈米結構可以做為高效的超透鏡、聚光器、奈米共振器和次波長波導。

電漿子學依賴奈米結構在金屬介電質介面上所發生的光學過程。表面電漿極子化是這些介面上高度侷限的電磁波，成因是自由載子電子和光子的交互作用。

SPP 的可調控特性可以對光與物質交互作用進行奈米尺度的控制，在有繞射極限的光子裝置與奈米尺度電子之間形成橋樑，以利下一代積體電路發展。

在奈米尺度下產生、放大、處理和路由光學訊號，為電信、生物化學、能源採集和感應等多樣的領域提供許多應用機會。

以下是混合式電漿子電子光子積體電路可能應用的重要範例。

感應器和生物感應器

支援局部表面漿子共振 (LSPR) 的電漿子物質會導致強烈的局部電磁場增強，從而大幅改善光譜學和感測應用。

舉例來說，電漿子誘發的共振能量轉移 (PIRET) 可用來改善發光二極體 (LED) 的效率，以及螢光感應器的效能。

電漿子學其中一項強大的應用是偵測生物或化學藥劑微小痕跡的感應器。有一次，研究人員將一種易於與細菌毒素結合的物質塗在電漿子奈米物質上。這種毒素的存在改變表面電漿子的頻率，進而改變反射光的角度。研究人員以極高準確度測量該效果，因此能偵測到最微小的痕跡。

其他用於感應的電漿子技術應用包括區分病毒與細菌感染，以及用作電池的內部感應器，以利監測充電速率和功率密度。

表面電漿子共振 (SPR) 感應器

SPR 感應器可有效取代層析式技術來偵測環境汙染物。在偵測氯丁二烯時，SPR 感應與層析法一樣準確，而且能更快產生結果。

在其他領域，光纖 SPR 技術指的是在光纖末端使用 SPR 感應器，有助於光與表面電漿子耦合。這樣便可以製造出超靈敏又小巧的感應裝置，對遠端感應應用特別有用處。

石墨烯電漿子

研究發現，將石墨稀層疊加在金奈米結構上可改善 SPR 感應器效能。石墨稀的低折射率可將干擾降至最低，而且石墨稀的表面積大，有助於捕捉生物分子。

因此，結合石墨稀可擴大 SPR 感應器的應用範圍。研究也發現在製造過程中，石墨稀能改善 SPR 感應器耐受高溫退火的能力。

太陽光電

太陽光電和太陽能電池均使用金族電漿子物質，包括金、銅和銀。這些物質做為電子和電洞給體單元，在支援物聯網網路的智慧型感應器方面扮演重要角色。

電漿子奈米物質也能改善 LED 的光提取率，增加亮度與效率，並產出低成本、有彈性且輕量的 LED 顯示器。

光學運算

光學運算欲將電子裝置替換成光處理裝置，藉此利用光學訊號的高頻寬。

例如在 2014 年，研究人員採用二氧化釩電漿子物質，製造出 200 奈米的兆赫光學開關。二氧化釩可以在不透明的金屬相位和透明的半導體相位之間切換。

二氧化釩奈米粒子沉積在玻璃基底上，並讓金奈米粒子做為電漿子光陰極，覆蓋在二氧化釩奈米粒子上。接採用短雷射脈衝，使自由電子從金奈米粒子跳到二氧化釩超穎物質，進而引發短暫的相位變化。

二氧化釩切換與現有的矽晶片相容，可在光譜的近紅外線及可見區域中操作。近紅外線光是電信和光學通訊的必要元素，而可見光是感應器和顯微鏡所不可或缺的元素。

電漿子超穎物質也可以協助磁碟上的熱輔助磁性記憶體儲存空間，其中在寫入時加熱磁碟上的小點可以增加記憶體儲存空間。

顯微鏡學

次波長電漿子的一項明顯應用是顯微鏡學應用，以超越光的繞射極限。繞射極限使得傳統顯微鏡 (展現正折射率) 無法解析小於光波長一半的物體。

使用負折射率超穎物質製成的鏡片可規避繞射極限，所產生的超透鏡能夠擷取超越傳統顯微鏡視野的空間資訊，並可應用於光學開關、光偵測器、調變器與定向光發射器。 

數十年來，半導體產業將電子裝置尺寸縮減至奈米尺度的技術已獲得巨大進展。然而，在製造 10GHz+ 電路時，訊號延遲問題成為重大挑戰。

雖然光子裝置提供超大頻寬，但是繞射會限制光子元件的尺寸。電漿子奈米技術是光子的微米尺度 (百萬分之一公尺) 世界與電子的奈米尺度 (十億分之一公尺) 世界之間的橋樑。

研究人員還能採用全新的超穎物質，例如石墨稀，因此電漿子學的前景看好。只要公司能生產健全、可靠且價格合理的電漿子裝置，電漿子奈米技術就會是為新一代 10 GHz+ 積體電路板提供重要協同效應的關鍵技術。

到 2031 年，電漿子物質市場的價值將從 2023 年的不到 110 億美元，成長至接近 400 億美元，年增率約 15.5%。

如需有關電漿子應用的詳細資訊，請造訪我們專門的電漿子應用頁面。

相關資源