表面等离激元增强氮化硅基MIS器件的电致发光

从本质上来说，表面等离激元是指由于与导体中的自由电子相互

作用而被导体表面俘获的光波。导体

表面的自由电子集体振荡与光的电磁场之间的共振相互作用就构成了SPPs

SPPs同时具有电磁波和表面电荷的特性。导体表面的电荷与电磁场相互作用产生的SPPs有两个特点。一、由于SPPs

是被束缚在表面上的，SPPs模的动量ASP比相同频率下自由空间的光子动量}0 大(ko= W /c，为自由空间的波矢)。在合适的边界条件下解Maxwell方程可获得

SPP:色散关系[n6}，即依赖于频率的 由于SPPs的波矢比光波的波矢大，如果要用光波来产生SPPs，必须得补偿

光与SPPs在相同频率下的动量失配。二、虽然SPPs会沿着界面传播，但是在垂 直于界面的方向上，SPPs的强度随着离开界面的距离而指数衰减，如图2.14(b) 所示。垂直于界面方向的场被称作近场或消逝场，这是SPPs的束缚特性与非辐 射特性的结果，能阻止SPPs的能量离开界面。SPPs在介质材料中的衰减长度凡 与光波波长的二分之一在同一个数量级;而在金属中的衰减距离}m则由透入深

度(skin depth)决定。

SPPs波矢ksP}，为金属等离子体频率，。为金属的电子密度，

量，m为电子有效质量。根据以上简化可画出典型的SPPS色散关系图

e为电子电

，如图2.15

所示。图中虚线为介质光线

可知，在相同频率下，SPPs

也就是光在介质中的色散曲线田=ck/司/’

的波矢总是比光波波矢大。而且当频率接近于

由图

SP的

吸收边时，SP在很窄的波长范围内具有很大范围的波矢。这些现象是由于纳米结构中金属的缓聚效应引起的，且波矢的大小被金属中的耗散所限制。由于巨大

的动量差异，SP与光的祸合很难发生。

用光波来激发SPPS，首先要求入射光频率与SPPs频率要相同;其次，入射光

波矢平行于表面的分量与SPPs波矢相等

，其中e为光的入射角，c为真空中的光速。第一个条件很容易满足，但是，

通过图2.15的SPPs色散关系可以看出，在相同频率下，SPPs波矢总是比邻近介质 材料中的光波波矢要大。由于动量失配的原因，光线通过介质后直接照射到金属 表面是不能直接激发SPPS的

为了使光波能有效的激发金属表面等离激元，就必须解决光波与SPPs之间 的动量失配的问题。一般主要利用棱镜祸合与衍射效应这两种方法来补偿光波与 SPPs之间的动量失配。

一、用棱镜祸合的方式增大入射光的动量，以达到与SPPs之间的动量匹配 }Ils:119。这种方法利用内部全反射结构(Kretschmann and Otto构型)中的光子隧

穿来实现光子与SPPs之间的动量匹配。对于较薄的金属薄膜，可用Kretschmann 构型[[119]来进行激发，如图2.16 ( a )所示。入射光通过介质棱镜，以大于全反射 临界角的入射角入射到金属薄膜上，光的波矢在光学致密的介质中会变得更大。 调整入射角e，使光波波矢在棱镜中的面内分量等于金属/空气界面sPPs波矢， 这时共振光隧穿就会通过金属膜发生，光就能与SPPs发生祸合。共振条件为: