【文章內(nèi)容簡介】 ........................................................... 24 Definition of Dyadic ............................................................................................ 25 The Space Expression of Dyadic Green39。s Functions ........................................... 26 Treatment of The Singularities in Dyadic Green’s Function ................................. 29 Deposition in Dyadic Green’s Function .......................... 錯誤 !未定義書簽。 31 Electric Fields of an Arbitrary Dipole ................................................................... 31 江蘇科技大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 VIII Fast Evaluation of Sommerfeld Integrals ............................ 錯誤 !未定義書簽。 34 Numerical Results for Radiation and Scattering ................................................... 37 Brief Summary of This Chapter................................................................................... 39 Chapter4 Research on SPPs by Curved Chains of Nanoparticles ................................ 40 Research ....................................................................................................................... 40 Sample Preparation .................................................................................................... 40 Theory Model ............................................................................ 錯誤 !未定義書簽。 42 Numerical Results and Discussion .............................................................................. 45 Brief Summary of This Chapter................................................................................... 51 Conclusion ............................................................................................................................ 53 References ............................................................................................................................ 55 Published Papers During Studying for Master ................................................................. 59 Acknowledgements ........................................................................................................ 61 1 第 1 章 緒論 1 第 1 章 緒論 表面等離子體的研究背景 21 世紀(jì)，科學(xué)和技術(shù)地飛速發(fā)展，信息技術(shù)滲透到社會的各個領(lǐng)域。人們對信息需求越來越多 ， 對信息處理和存儲的要求越來越多。于是，人們對元器件的微型化和高度集成化提出了更高的要求 ， 要求單元器件的尺寸越來越小 ， 器件的空間距離也越來越?。ㄍ黄乒鈱W(xué)衍射極限 )?？墒?， 傳統(tǒng)的光子學(xué)器件受衍射極限的限制 ， 在納米尺度結(jié)構(gòu)上難以實現(xiàn)相關(guān)信息的傳輸、處理和應(yīng)用等 ， 因此迫切需要實現(xiàn)突破衍射極限的新機(jī)制和新技術(shù)，同時納米尺度器件也表現(xiàn)出傳統(tǒng)器件所不具有的新功能和新應(yīng)用。 納米光子學(xué) [1]（ nanophotonic）是一個新興的研究領(lǐng)域，旨在對納米尺度的光學(xué)現(xiàn)象的理解 ， 即接近或超越光的衍射極限。納米科學(xué)和納米技術(shù)的飛速進(jìn)步推動了納米光子學(xué)發(fā)展 ， 同時為制造、操縱和表征納米尺度提供了有效的工具。近場光學(xué)是納米光子學(xué)的信息載體 ， 通過納米尺度的光學(xué)器件與近場光學(xué)之間的相互作用 ， 實現(xiàn)光學(xué)信息的傳遞、處理、放大 ， 是近場光學(xué)（ nearfield optics）的一種發(fā)展。光學(xué)近場的能量傳遞、控制及其應(yīng)用是納米光子學(xué)研究中重要內(nèi)容。 將光限制在納米尺度是納米集成光學(xué)器件、近場光學(xué)和納米光子學(xué)等學(xué)科的一個主要挑 戰(zhàn)。目前國際上實現(xiàn)納米尺度的光學(xué)控制主要有兩種方法。一種方法是基于光子晶體（ Photonic Crystals， PCs)[2]。由于光子晶體是典型的周期性結(jié)構(gòu) ， 只能有部分波長的光能通過 ， 其尺寸也僅是波長量級 ， 只能解決部分的問題。目前光子晶體結(jié)構(gòu)大多數(shù)是三維結(jié)構(gòu) ， 對結(jié)構(gòu)制作和設(shè)計都提出了較高的要求。 另外一種方法是基于表面等離子體 （ Surface Plasmon Polaritons， SPPs） 。表面等離子體是金屬表面自由電子隨入射光子同頻率集體振蕩產(chǎn)生的一種表面束縛的電磁波[3]， 是存在金屬表面的一種 束縛性 和 非輻射性的模式。與光子晶體相比較 ， 利用表面等離子體可以將維度從三降為二維 ， 在納米尺度上，實現(xiàn)超越衍射極限的光的操控 ，同時實現(xiàn)局域近場增強(qiáng) 。 SPPs 低維度、高強(qiáng)度和亞波長的特點 ，在納米光子學(xué)領(lǐng)域中有著無限的應(yīng)用潛力，被喻為目前最具希望的納米集成光子器件的載體，并在納米光學(xué)成像、納米光刻等有著廣泛應(yīng)用。 表面等離子體的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用 1902 年， R. W. Wood 在光學(xué)實驗中首次發(fā)現(xiàn)了表面等離激元共振現(xiàn)象。 1941 年，U. J. Fano 等人根據(jù)金屬和空氣界面上表面電磁波的激發(fā)解釋了這一現(xiàn)象。 1957 年，表面等離子體的第一個實驗是由 電子能量損耗測量實現(xiàn)的 [4]， R. H. Ritchie 注意到，江蘇科技大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 2 當(dāng)高能量電子通過金屬薄膜時，不僅在等離激元頻率處有能量損失，在更低頻率處也有能量損失峰，他認(rèn)為這與金屬薄膜的分界面是有關(guān)系的。 1959 年， C. J. Powell 和J. B. Swan通過實驗證實了 R. H. Ritchie 的理論。 1960 年， Stern和 Ferrell 研究了此種模式產(chǎn)生共振的條件并首次提出了表面等離激元的概念，并首次推導(dǎo)了金屬表面這種電磁波的色散關(guān)系 [5]。 1968 年， Otto 在實驗中用他首創(chuàng)的 衰減全反射 技術(shù) （ Attenuated Total Reflection， ATR）實現(xiàn)光波段表面等離子體的激發(fā) [6]?，F(xiàn)在廣泛應(yīng)用的暗場照明模式近場光學(xué)顯微鏡正是基于 Otto的實驗構(gòu)想。同年 Kretsehmann和 Raether 改進(jìn) Otto結(jié)構(gòu)，提出了現(xiàn)在最廣泛應(yīng)用的激發(fā) SPPs 的 Kretschmann模型 [7]。八十年代初，基于SPPs 的研究工作在 Agranovich的書中有十分全面的綜述 [8]。 1984 年，瑞士蘇黎世 IBM 研究室的 等人成功研發(fā)了世界上第一臺近場掃描光學(xué)顯微鏡（ Nearfield Seanning Optical Microscopy， NSOM） [9]。隨著 NSOM的出現(xiàn)，使得在探測金屬表面的 SPPs 成為可能 [10]， SPPs 的散射和局域性得到了廣泛的研究，形成了二維等離子體光子學(xué)。在 1997 年， Bozhevolnyi 和 Pudonin在前人的研究基礎(chǔ)上提出了二維表面等離子體光學(xué)的設(shè)想，并成功進(jìn)行了一些原理性實驗[11,12]。實際上，因為 SPPs 被控制在垂直于表面的方向，直接觀察 SPPs 局部化只有可能利用 NSOM。基于 SPPs 的 NSOM 證實了微弱的和強(qiáng)烈的 SPPs 局部化的存 在。然而，由于 SPPs 兩維光學(xué)的誕生，在理想表面控制 SPPs 的光學(xué)增強(qiáng)開始形成。通過利用人工制造的納米器件來操縱和引導(dǎo) SPPs 光束在表面?zhèn)鞑ァ＜{米科學(xué)和納米技術(shù)的快速發(fā)展，使得納米光子學(xué)不再局限于基于非輻射束縛模式的機(jī)理的研究，更多的拓展到實際應(yīng)用領(lǐng)域。 SPPs 的奇特性質(zhì)使其在亞波長光學(xué)、全光集成、光存儲、光激發(fā)、生物光子學(xué)等方面發(fā)揮越來越重要的作用 [13]。 目前， SPPs 已經(jīng)應(yīng)用于很多領(lǐng)域： 1. SPPs 波導(dǎo) 納米全光集成實現(xiàn)的基礎(chǔ)是 SPPs 波導(dǎo)，在此基礎(chǔ)可以進(jìn)一步研發(fā)基于金屬表面結(jié)構(gòu)的各種 SPPs 器 件。周期性排列的表面納米粒子表現(xiàn)出關(guān)于 SPPs 的二維光子晶體的屬性。這樣的 SPPs 帶隙結(jié)構(gòu)可以使顆粒間的狹縫變窄， SPPs 能局限于狹縫并沿狹縫傳播，通過適當(dāng)引入表面缺陷結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn) SPPs 直線波導(dǎo)、彎曲波導(dǎo)及分束波導(dǎo)等。為了進(jìn)一步減小微器件尺寸，國內(nèi)外學(xué)者研究了各種各樣的 SPPs 波導(dǎo)：在周期性光子結(jié)構(gòu)中引入條形帶隙結(jié)構(gòu)的 SPPs 波導(dǎo) [14]，基于粗糙表面近場增強(qiáng)和強(qiáng)局域效應(yīng)的SPPs 波導(dǎo) [15]， 基于周期性結(jié)構(gòu)的金屬線或粒子的 SPPs 波導(dǎo) [16]，以及基于 ―V‖型槽的SPPs 波導(dǎo) [17]等。其中， ―V‖型槽 SPPs 波導(dǎo)有低傳輸損耗、單層膜結(jié)構(gòu)、 低靈敏度等特點， 2020 年 Bozhevolnyi 等人在 Nature 上發(fā)表了基于 ―V‖型槽 SPPs 波導(dǎo)的分束器、MZ 干涉儀和環(huán)形共振器 [17]，如圖 所示。 納米尺度的金屬表面結(jié)構(gòu)證實了表面等離子體的激發(fā)、聚焦和導(dǎo)波同時發(fā)生的可第 1 章 緒論 3 行性，同時也為表面等離子體亞波長光學(xué)的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的工具。 圖 基于 V型波導(dǎo)的 SPPs 分束器、 MZ 干涉儀和環(huán)形共振器 Plasmonic Ysplitter, MachZehnder(MZ) interferometer and waveguidering (WR) resonator based on Vwaveguide. 2. 生物和醫(yī)療 表面等離子體共振（ Surface Plasmon Resonance， SPR）以其快速、高靈敏度的特性，被廣泛的應(yīng)用于生物小分子的精密探測、高分辨率顯微鏡和更加有效的癌癥治療方案 [18]。圖 顯示的是利用 SPR 效應(yīng)來摧毀癌細(xì)胞 [19]。 Rice 大學(xué)的 Naomi Halas 和Peter Nordlander 等人致力于這項新技術(shù)的深入研究和實踐證明。在硅納米球（直徑約100nm）的表面附上一層 10nm 厚的金薄膜，將納米小球注射進(jìn)血液，納米小球自動嵌入到不斷生長的腫瘤內(nèi)。然后，利用近紅外激光束入射癌細(xì)胞部分，激光穿透皮膚并激發(fā)電子在納米球內(nèi)產(chǎn)生共振。殼內(nèi)表面和外表面場的相互耦合作用，微粒吸收能量，使得局域溫度大幅度升高，最終癌細(xì)胞被并殺死、健康組織卻不被破壞害。如果這項技術(shù)成功的話，將給廣大癌癥患者帶來新的希望，進(jìn)一步推動醫(yī)學(xué)的發(fā)展。 圖 利用金納米球新技術(shù)治療癌癥 New technology of cancer treatment using gold nanosphere 江蘇科技大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 4 3. 新型光源和能源 SPPs 在太陽能電池和新型能源相關(guān)器件方面也有重要應(yīng)用。納米材料的光電性質(zhì)、機(jī)械性能均可通過改變顆粒的尺寸來實現(xiàn)。太陽能電池與金納米粒子薄膜結(jié)合，能比傳統(tǒng)太陽能電池更有效地吸收太陽能。 2020 年， 等人 [20]在光伏電池的實驗中應(yīng)用了 SPPs。實驗表明：金屬納米粒子能使入射的陽光更加分散，從而使更多的光線進(jìn)入光伏電池中；其次，不同種類和尺寸的粒子可以用來改進(jìn)光的效果。更重要的是 SPPs 能應(yīng)用于任何類型的光伏電池，均會大大地提高 轉(zhuǎn)換效率。這一系列的實驗表明，基于 SPPs 的產(chǎn)品能夠商業(yè)化成功的話，那么對解決人類的能源問題將起到不可估量的作