【正文】 特性, Quinten 等首先研究了直徑為50 nm 的球狀銀顆粒組成的一維鏈結(jié)構(gòu)中SPP 模式在此鏈狀結(jié)構(gòu)中的傳播。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)金屬條的寬度小于20μm 時(shí)SPP 的傳播距離會(huì)隨著寬度變窄而顯著減小。目前,對(duì)不同幾何形態(tài)的SPP 波導(dǎo)的研究工作已經(jīng)展開。在SPP 波導(dǎo)中,人們總希望在SPP 傳播方向的垂直截面上波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對(duì)場(chǎng)的束縛性要好(也就是模式尺度要小) ,以降低波導(dǎo)的折彎損耗和提高光子芯片中回路和元件的密度。光子學(xué)給出了一個(gè)解決相關(guān)問題的可能途徑,即構(gòu)筑基于光纖和光子回路的光通信系統(tǒng),但是由于受光的衍射極限限制而無法將電磁波局域在尺寸遠(yuǎn)小于半波長(zhǎng)的區(qū)域中,其尺度(大約微米量級(jí)) 比電子元件和回路的尺度(大約納米量級(jí)) 要大的多,因此要將它們二者集成一體于納米尺度的芯片中非常困難。到目前為止,變換光學(xué)仍然是設(shè)計(jì)隱身最有效的方法。將這兩種結(jié)構(gòu)組合排列,改變其比例,可以實(shí)現(xiàn)組合后有效折射率從負(fù)到正的連續(xù)變化。最近Pendry 等還設(shè)計(jì)了另一種半空間的“界面散射”隱身方案,被稱為“隱身毯子”,并在最近的微波和光頻段得到了實(shí)現(xiàn)。他們利用SRR 的磁共振調(diào)控有效磁導(dǎo)率,將一系列金屬開口環(huán)豎直排成環(huán)狀,并且金屬開口環(huán)的尺寸參數(shù)隨著位置而改變,使不同位置的金屬開口環(huán)的有效磁導(dǎo)率達(dá)到預(yù)定值,構(gòu)成了二維“隱身衣”。如果能夠減少散射,甚至光線經(jīng)過物體后能恢復(fù)原來的傳播方向,就能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的隱身?；疑珔^(qū)域表示可見光波段Ag/Si3N4/Ag波導(dǎo)的正常色散區(qū)。圖6展示的SPP分別在這兩種夾心波導(dǎo)中傳播的色散關(guān)系,圖中陰影區(qū)域?qū)?yīng)于Ag/Si3N4 / Ag 波導(dǎo)的正常色散區(qū),在這一區(qū)域SPP的有效折射率為正。 最近的研究表明,通過適當(dāng)?shù)腟PP 能帶色散設(shè)計(jì),也可以觀測(cè)到SPP 在金屬表面?zhèn)鞑r(shí)的負(fù)折射現(xiàn)象。目前,負(fù)折射超構(gòu)材料的發(fā)展提出了一個(gè)迫切需要解決的問題———即如何在更高頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)材料的負(fù)有效磁導(dǎo)率而又不帶來嚴(yán)重的損耗。負(fù)折射率材料之所以受到如此廣泛的關(guān)注,除了其所具備的自然界一般材料所沒有的特異性質(zhì),包括負(fù)折射效應(yīng)、反常多普勒效應(yīng),更在于利用負(fù)折射率材料可以對(duì)物體進(jìn)行隱身,實(shí)現(xiàn)突破衍射極限的亞波長(zhǎng)分辨率成像等等。目前,依靠LSP 和SPP 的傳感效應(yīng)作為定性或定量生物分子測(cè)量的有力工具,而被廣泛應(yīng)用到包括醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物技術(shù)、藥物和食品監(jiān)控等領(lǐng)域。Halas 等發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象,即一旦將金屬膠體顆粒沉積到介質(zhì)襯底上,其敏感度會(huì)比顆粒分布在溶液中時(shí)測(cè)量的敏感度下降大約25 %。例如球狀顆粒的靈敏度一般在160 nm/ RIU ,三角形顆粒約為200 nm/ RIU ,棒狀顆粒則為235nm/ RIU。通過測(cè)量共振角度和共振波長(zhǎng)偏移量的方法可達(dá)到的最高靈敏度分別為100 deg/ RIU和8 000 nm/ RIU。此后對(duì)SPP共振生物傳感的研究和應(yīng)用進(jìn)入了高峰期。 表面等離激元的應(yīng)用 生物傳感器過去的幾十年,人們一直致力于采用光學(xué)傳感器實(shí)現(xiàn)化學(xué)量和生物量測(cè)定的研究,發(fā)展了多種實(shí)現(xiàn)這類傳感器的光學(xué)手段,如橢圓偏光法、干涉測(cè)量法、熒光光譜、拉曼光譜、波導(dǎo)模光譜法等。此外, 當(dāng)頻率逐漸減小時(shí), SPP 色散曲線無限接近空氣介質(zhì)中的光錐線,但是相同能量的SPP波矢量仍大于光波的波矢量(ω/c) 。我們可以根據(jù)ky的虛部定SPP在界面兩側(cè)材料中的穿入深度Ly ,即場(chǎng)強(qiáng)衰減為初始場(chǎng)強(qiáng)的1/e時(shí)的穿透距離: 和 （13）圖3b 所示的是金屬銀和空氣界面上的SPP 的色散關(guān)系,其中銀的介電常數(shù)采用Drude 模型來描述: ； （14）這里ωp是銀的體等離子振蕩頻率,τ是弛豫時(shí)間。ε2i ,這樣波矢量kx 的實(shí)部和虛部可以近似表示為: 和 （10）顯然,如果滿足ε2r 0 以及|ε2r| ε1 ,那么kxr 是一個(gè)實(shí)數(shù),這表明SPP在x方向?yàn)樾胁ń?。點(diǎn)線代表SPP 共振頻率ωsp 。由于SPP 是非輻射波,入射波或反射波的場(chǎng)可以設(shè)為0 (此處我們假設(shè)入射波的場(chǎng)為0) 。 根據(jù)麥克斯韋方程邊界條件,可以計(jì)算得出SPP的場(chǎng)分布和色散特性。 SPP 定義為自由電子與電磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的沿金屬表面?zhèn)鞑サ碾娮邮杳懿ā?902 年,Wood 在研究金屬光柵的橫磁偏振( Transverse Magnetic , TM) 反射光譜實(shí)驗(yàn)中首先觀測(cè)到一系列明暗條紋, 即Wood 異常。金屬納米材料在表面喇曼散射增強(qiáng)技術(shù)上的重要應(yīng)用就是典型例證。對(duì)于球形或橢球形顆粒, 通過Mie 散射理論可得到LSP特性的解析解,而其它的形狀往往只能通過數(shù)值求解。從圖中可以看出, 消光譜的峰值出現(xiàn)在ωr ex t= eV , 這一數(shù)值與偶極子計(jì)算結(jié)果相吻合,說明了偶極子靜電近似成立。對(duì)于尺寸遠(yuǎn)小于共振波長(zhǎng)的球形顆粒而言, 可以采取靜電偶極子近似,此時(shí)介質(zhì)球的極化率可表示為: （1）式中為顆粒的半徑, 為顆粒的介電常數(shù), 為背景介質(zhì)的介電常數(shù)。早在一百年前,人們就認(rèn)識(shí)到貴金屬(合金) 納米顆粒在可見光區(qū)表現(xiàn)出很強(qiáng)的寬帶光吸收特征。因此，高效多功能集成式實(shí)用光催化反應(yīng)器的開發(fā)，將會(huì)成為一種新型有效的水處理手段，特別是在低濃度難降解有機(jī)廢水的處理及飲用水中三種物質(zhì)的去除方面發(fā)揮重要作用。我們相信，隨著基礎(chǔ)研究的深入和實(shí)用化進(jìn)程的發(fā)展，Ti02光催化材料必將使用于生活空間的多種場(chǎng)合，發(fā)揮其多功能效應(yīng)，成為一種重要的環(huán)境凈化和表面自清潔材料。制備二元或多元半導(dǎo)體，與氣體吸附劑相混合等可實(shí)現(xiàn)上述目的，其中貴金屬修飾是提高TiO2光催化活性的一種有效途徑。 Ti02在光催化方面面臨的問題及發(fā)展前景由于Ti02光催化材料具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，低成本、制備的薄膜透明、耐腐蝕、對(duì)人體無害、高催化性能等特點(diǎn)，成為目前最引人注目的環(huán)境凈化材料，該材料已被廣泛用于凈化空氣、廢水處理、抗菌和表面自清潔材料等。氣化的有機(jī)氯化物經(jīng)過TiO2光催化劑的處理可分解成二氧化碳和氯化氫, 氯化氫可被堿中和, 從而使污染的氣體得到凈化。據(jù)估計(jì), 從事光催化劑研究的技術(shù)人員中, 大約80% 以上都涉及與水處理有關(guān)的課題, 利用TiO2光催化劑對(duì)于處理雙酚和防止地下水污染方面已取得可喜成果。病房手術(shù)室的試驗(yàn)結(jié)果表明，安放TiO2光催化劑后，空氣中浮游的細(xì)菌數(shù)可降低90%左石。即TiO2光催化劑不僅能消減細(xì)菌的生命力，而且能攻擊細(xì)菌的外層細(xì)胞，穿透細(xì)胞膜，破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，從而徹底地殺滅細(xì)菌。因此可利用TiO2的光催化作用加以殺除。而當(dāng)其濃度低時(shí)(100個(gè)單位體積濃度)，通常的熒光燈就可將其完全分解量子效率的測(cè)定結(jié)果表明，進(jìn)行低濃度乙醛的光催化反應(yīng)時(shí)，普通熒光燈的效率比紫外光源要高得多，對(duì)其它臭氣如甲硫醇、硫化物、氨氣等也觀測(cè)到同樣的現(xiàn)象。而TiO2光催化劑吸附這些氣體，經(jīng)紫外光照射氣體分解后，又可恢復(fù)其新鮮表面，消除了吸附限制。在污染嚴(yán)重的地域，利用建筑物外墻壁或高速公路遮音壁等安裝這種光催化薄板，利用太陽(yáng)光可有效去除空氣中的NOx。TiO2光催化劑也可用于石油、化工等產(chǎn)業(yè)的工業(yè)廢氣處理，改善廠區(qū)周圍空氣質(zhì)量。對(duì)室內(nèi)主要的氣體污染物甲醛、甲笨等的研究結(jié)果表明，污染物的光降解與其濃度有關(guān)。近年來，隨著室內(nèi)建筑裝飾材料、家用化學(xué)物質(zhì)的使用，室內(nèi)空氣污染越來越受到人們的重視。TiO2光催化降解氣相有機(jī)物的反應(yīng)通式為: 目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者己對(duì)烯烴、醇、酮、醛、芳香族化合物、有機(jī)酸、胺、有機(jī)復(fù)合物、三氯乙烯等氣態(tài)有機(jī)物的TiO2光催化降解進(jìn)行了研究，取得了較為滿意的效果。++ O2 → ROO (5)O2+ H20 → 因此，電子與氧的還原反應(yīng)不僅有助于穩(wěn)定空穴與氫氧根離子、水或有機(jī)物反應(yīng)，而且生成表面羥基促進(jìn)了光催化氧化反應(yīng)的進(jìn)行。一個(gè)可能的反應(yīng)為:02OOH → H2O2 + O2 (7)具體的反應(yīng)式為:O2 + e→ 02在光催化半導(dǎo)體中，空穴具有更大的反應(yīng)活性，攜帶光量子能的主要部分一般與表面吸附的H2O或OH離子反應(yīng)形成具有強(qiáng)氧化性的羥基。氣光子能量達(dá)到或超過其帶隙能時(shí)，電子就可從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，、空穴對(duì)。按反應(yīng)類型即催化劑功能分類則可劃分成水解與水合、脫水、氧化、加氫、脫氫、聚合、酰化、鹵化等。光催化劑在太陽(yáng)光或室內(nèi)熒光燈的照射下能產(chǎn)生抗菌、除臭、油污分解、防霉防藻、空氣凈化的作用。表面能量占全能量的比例大幅提高，使納米材料具吸附、光吸收、熔點(diǎn)變化等特性。 各種應(yīng)用材料逐漸進(jìn)入納米時(shí)代。因此二氧化鈦相關(guān)的專利數(shù)目亦最多，其它催化劑關(guān)連技術(shù)則涵蓋催化劑調(diào)配的制程、催化劑構(gòu)造、催化劑擔(dān)體、催化劑固定法、催化劑性能測(cè)試等。 由于是借助光的力量促進(jìn)氧化分解反應(yīng)，因此后來將這一現(xiàn)象中的氧化鈦稱作光催化劑。這一效果作為“本多 幾乎可分解所有對(duì)人體和環(huán)境有害的有機(jī)物質(zhì)及部分無機(jī)物質(zhì)，不僅能加速反應(yīng)，亦能運(yùn)用自然界的定侓，不造成資源浪費(fèi)與附加污染形成。光催化劑是一種在光的照射下，自身不起變化，卻可以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)，光催化劑利用自然界存在的光能轉(zhuǎn)換成為化學(xué)反應(yīng)所需的能量來產(chǎn)生催化作用，使周圍的氧氣及水分子激發(fā)成極具氧化力的自由負(fù)離子。在一次試驗(yàn)中對(duì)放入水中的氧化鈦單結(jié)晶進(jìn)行了光線照射，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水被分解成了氧和氫。 1992年第一次二氧化鈦光催化劑國(guó)際研討會(huì)在加拿大舉行，日本的研究機(jī)構(gòu)發(fā)表許多關(guān)于光催化劑的新觀念，并提出應(yīng)用于氮氧化物凈化的研究成果。在表面上由于大量原子配位的不完全而引起高表面能的現(xiàn)象?！?納米二氧化鈦光催化劑是一種在光的照射下，自身不起變化，卻可以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)，就象植物的光合作用中的葉綠素。按化學(xué)組成則可分成銀、銅、鎳、鈀、鐵等。中國(guó)工業(yè)催化劑分類方法：一．石油煉制催化劑；；3．加氫裂化催化劑；4．加氫精制催化劑；5．烷基化催化劑；6．異構(gòu)催化劑 二．無機(jī)催化劑 1．脫硫——加氫脫硫、硫回收催化劑 2．轉(zhuǎn)化——天然氣轉(zhuǎn)化、煉廠氣轉(zhuǎn)化、輕油轉(zhuǎn)化催化劑 3．變換——高（中）變、低變、耐硫?qū)捵兇呋瘎?4．甲烷化——合成氣甲烷化、城市燃?xì)饧淄榛?5．氨合成催化劑 6．氨分解催化劑 7．正、仲氫轉(zhuǎn)化催化劑 8．硫酸制造催化劑 9．硝酸制造催化劑 10．硫回收催化劑 三．有機(jī)化工催化劑 1．加氫催化劑；2．脫氫催化劑；3．氧化——?dú)庀?、液相催化劑?．氨氧化催化劑 5．氧氯化催化劑；6．CO+H2合成——合成醇、FT合成催化劑；7．酸催化——水合、脫水、烷基化催化劑；8．烯烴反應(yīng)——齊聚、聚合、岐化、加成催化劑 四．環(huán)境保護(hù)催化劑 1．硝酸尾氣處理催化劑 2．內(nèi)燃機(jī)排氣處理催化劑 3．制氮催化劑 4．純化——脫痕量氧或氫催化劑 五．其它催化劑 二氧化鈦光催化劑的應(yīng)用進(jìn)展 TiO2光催化的原理TiO2在光照條件下之所以能夠進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，是由于其電子結(jié)構(gòu)是一個(gè)滿的價(jià)帶和一個(gè)空的導(dǎo)帶這一特點(diǎn)。價(jià)帶空穴是良好的氧化劑，導(dǎo)帶電子是良好的還原劑，大多數(shù)光催化反應(yīng)都直接或間接地利用了空穴的氧化能力。OH + H+ (4) ，還是表面羥基的另一個(gè)來源。OOH+OH (6)2的存在。OH是有光催化反應(yīng)的主要氧化劑，對(duì)催化氧化起決定作用。具體的反應(yīng)式為O2+ e→ O2+ H20 (11) R → R00O (13)ROO TiO2光催化劑的應(yīng)用(1)空氣中有機(jī)物的光降解利用TiO2光催化劑在光照條件下可將空氣中的有機(jī)物分解為COH2O和相應(yīng)的有機(jī)酸。但在氣相光催化反應(yīng)中，只要生成的中間產(chǎn)物揮發(fā)性不大，就不會(huì)從TiO2表面脫離進(jìn)入氣相，造成新的污染，而進(jìn)一步氧化分解，最終生成CO2和H2O。居室、辦公室中所用涂料、粘接劑、油漆、膠合板、地板革、壁紙等都可向空