表面等离激元增强氮化硅基MIS器件的电致发光(2)

在这个共振条件下，由于光几乎以100%的效率与SPPs祸合，棱镜/金属界 面的反射率会出现一个尖锐的最小值。另外，由于SPPs场集中在靠近金属表面 的地方，这个场在表面会得到显著的增强。在这种结构中，无论入射光以什么角 度入射，棱镜中的光波矢量始终小于棱镜/金属界面的SPPs矢量，所以棱镜淦属 界面的SPPs不能被激发。为了激发棱镜/金属界面的SPPs，需要在棱镜与金属 之间加入一层折射率小于棱镜材料的介质材料，如图2.16 ( b )所示。在这种结 构中，通过附加的介质层进行的光子隧穿能提供棱镜/金属界面SPPs的共振激发。 这样，金属层两面的SPPs都能被激发。但是对于较厚的金属膜或块体金属的表 面，Kretschm~构型不能激发金属表面的SPPs，这时候需要用Otto构型来激 发金属表面的SPPs，如图2.16 ( c)所示。棱镜被放置在金属表面附近的地方， 光子隧穿通过棱镜与金属之间的空气间隙进行。共振条件与 Kretschm~构型的 共振条件相似。

二、用衍射效应来补偿光与SPPs之间的动量失配，以达到用光波激发SPP} 的目的。如果在光滑金属膜的一部分制成一个衍射光栅，如图2.17 ( a )所示。 光照射到衍射光栅上后，衍射光中波矢与SPPs波矢一致的分量就会与SPPs发生 祸合。共振条件为:

相对于表面为P极化的入射光，8P=l; s极化的入射光，}p Oa u}2为入射光 波矢面内分量的单位矢量，n、为入射光照射到金属表面前通过的介质材料的折射 率。u}和uz分别为周期性结构的单位晶格矢量，D为周期性结构的周期。P和q 为整数，分别对应SPPs的两个不同传播方向。只要使金属膜的厚度与光栅深度 进行适当的匹配，这种激发方式能同时有效的激发空气/金属界面和金属咐底界 面的SPPs。另外，在任意的粗糙金属表面，不需要使用任何特殊的结构就能达 到SPPs激发的条件。这是由于粗糙金属表面的近场衍射光具有各种不同矢量的 衍射分量。直接把光照射到粗糙表面上，总能满足SPPs的激发条件，如图2.17 (b)所示。但是这种激发方式是非共振的，在金属表面有较强的反射光，激发 效率较低。

2.3.3局域表面等离激元

如果金属表面是起伏不定或粗糙不平的(一般为金属颗粒)，SPPs就不能以 波的方式在金属/介质界面传播，而是被限域在粗糙不平的结构附近，这时，表 面等离激元就被称为局域表面等离激元(LSP )。局域表面等离激元是指金属颗 粒中的传导电子在电磁场作用下的集体振荡。如图2.18所示，传导电子在入射 光电场作用下而运动，电子云与金属颗粒核心之间发生位移，从而在金属颗粒表 面形成极化电荷。这些极化电荷的存在会产生回复力，在这个回复力的作用下， 电子又会向相反的方向运动。从而引起在特定频率的振荡，这个频率被称为偶极 表面等离子共振频率。

影响LSP振荡频率的主要因素有:颗粒的形状与尺寸、颗粒周围的介电环 境和金属本身的介电常数。经过前人的研究，已经有一套完整的方法可用来调节 LSP共振频率。在实践中，沉积在衬底上的大尺寸颗粒倾向于失去球形的形状而 呈现出椭球状，这种形状变化会导致共振频率红移;随着颗粒尺寸增大，LSP共 振峰位也会发生红移且共振峰宽度变宽;金属颗粒周围环境的介电常数的增加也 会导致共振频率红移。例如，与真空中的块体金属相比，相同材料的金属颗粒沉 积到衬底上，其等离子共振频率会发生改变。另外，对沉积在衬底上的金属颗粒， 对其进行表面包覆也会改变其共振特性。颗粒的材料也会影响其共振频率，例如， 颗粒尺寸相当于相同质量厚度的金和银，金纳米颗粒的共振频率会低于银纳米颗