在過去的幾十年中，電子和光子學取得了長足的進步，顯著改進了數據處理技術，使我們的生活發生了翻天覆地的變化。

表面等離子體光子學描述了在金屬-電介質界面上對光信號進行納米級（十億分之一米）操作。受光子學的啟發，表面等離子體光子學利用了金屬納米結構的獨特屬性，使得在近原子尺度下傳輸光信號成為可能。

在同一半導體芯片上集成傳統的光子學和電子學與表面等離子體光子學具有顯著的優勢，可創造出超高速的計算機芯片和光通信器件，并為超靈敏傳感器和顯微鏡提供動力。

什么是表面等離子體？

當加州理工學院的Atwater教授于2007年首次提出表面等離子體光子學概念時，他預測該技術將催生一系列應用，包括從超靈敏的生物傳感到隱身斗篷。

無論何種應用，表面等離子體光子學都依賴于在金屬-電介質界面操作電磁場和自由電子之間的相互作用——電介質是一種可在電場的作用下極化的絕緣體（如玻璃或空氣）。控制金屬電氣和光學屬性的自由電子會在電磁場（即光）中振蕩，并產生一種被稱為表面等離子體的現象。

什么是表面等離子體共振？

在納米級，自由電子被限制在微小的空間區域里，從而限制了其振動的頻率范圍。當與光相互作用時，自由電子會吸收與其振動頻率相匹配的光（同時反射其余部分的光），這意味著它們處于共振狀態，因此成為“表面等離子體共振”（SPR）。SPR可應用于納米棒、納米線、納米光子和其他形式的納米技術。

表面等離子體光子學的技術驅動因素

自首批基于芯片的半導體問世以來，我們這個數據驅動型社會已取得長足發展，并生產出了越來越小、越來越快的處理器。然而，器件尺寸不斷縮小給其自身帶來了挑戰，同時也使其受到熱問題和處理速度的限制。

光學互連，憑借其大帶寬（數據傳輸容量），提供了一種前景光明的解決方案。然而，光的衍射極限是限制光子組件尺寸縮小（即限制在光波長的一半左右）的重要因素。因此，光子器件通常比其電子器件大1-2個數量級。

業界正在做出巨大努力，旨在利用表面等離子體的獨特屬性，將電子器件的尺寸效率與光子學的數據效率相結合。

表面等離子體光子學的挑戰

表面等離子體的傳播僅在其移動幾毫米之后就會受到歐姆損耗的抑制，因此業界正在研發由石墨烯、金屬氧化物和氮化物等等離子體納米粒子構建的等離子體學納米結構，以應對該挑戰。

熱是另一項挑戰——它會影響等離子體信號的傳播長度和振幅。

具有合適電氣和光學屬性組合的金屬納米結構和幾何結構可能可以解決這些挑戰。這是因為銅、銀、鋁、金等其他材料中的金屬納米結構允許表面等離子體激元（SPP）傳播。

SPP是在金屬-電介質界面傳播的共振電子振蕩。其會產生強烈的光-物質相互作用，從而增強光電應用中的弱光學效應。

表面等離子體光波導

SPP可以被視為特殊類型的光波。因此，金屬互連可支持這些波在金屬-電介質界面傳播，并用作光波導或表面等離子體光波導。

SPP可用復波矢量表示。該矢量的虛部與SPP傳播長度成反比，而實部與約束成正比。

表面等離子體與電路設計的實際集成，取決于傳播長度和約束之間的反比關系的平衡。理想情況下，表面等離子體光波導可同時最大限度增加表面等離子體的約束和傳播長度，以獲得最佳效果。

表面等離子體激元傳播造成的耗散損耗可以通過增益放大或集成光纖等光子元件來抵消，從而產生混合表面等離子體光波導。

表面等離子體光波導呈亞波長模態，小于光的衍射極限。在小于光的波長下的SPP傳播方式是可能的，這一想法讓業界振奮不已，從而為能夠在光學頻率下進行納米級信息處理的芯片級器件開辟了可能性。

常見的表面等離子體光波導類型包括金屬-絕緣體-金屬（MIM）、絕緣體-金屬-絕緣體（IMI）、通道等離子體激元（CPP）和間隙等離子體激元（GPP）波導。

什么是表面等離子體光子學超材料？

超材料（metamaterial）是一種呈現出天然材料所不具備的超常物理性質的復合材料。超材料的特性源于其獨特的尺寸、形狀、幾何結構和方向，使其能夠以新的有利方式彎曲、阻止、吸收或增強電磁波。超材料以重復模式排列，大小尺度小于其作用的波長。

在表面等離子體光子學超材料中，表面等離子體為這些材料賦予了獨特的屬性。在某些條件下，入射光與表面等離子體在金屬-電介質界面處耦合，形成自維持，其傳播的電磁波被稱為表面等離子體激元（SPP）。

這些SPP的屬性源于底層金屬納米粒子的結構。SPP在比入射光更短的波長下顯示出可調特性。表面等離子體光子學超材料的示例包括：周期性排列的金納米粒子（納米立方體）以及銀和金納米殼層。

表面等離子體光子學超材料的類型

由于表面等離子體光子學超材料的屬性來自亞波長尺度下金屬納米粒子的排列，因此工程師可以控制色散、介電常數、磁導率和折射率等屬性，以實現一系列新穎的應用。

負折射率表面等離子體光子學超材料

當光線從一個介質傳播到另一個介質時，例如從空氣到水，它會在穿過法線（垂直于表面的平面）時彎曲。在負折射率材料中，這種彎曲發生在相反方向，這意味著光的電磁能量以與其傳播波前相反的方向傳輸。

由于材料的折射率與其介電常數有關，而介電常數反過來又會影響其電磁傳播長度，因此負折射率超材料提供了可調的光學屬性，超越了傳統透鏡、反射鏡和光學設備的能力。

漸變折射率表面等離子體光子學超材料

此外，表面等離子體光子學超材料也可以經過配置，以沿著其長度或表面顯示不同的折射率。例如，可以通過使用電子束光刻將PMMA等合成聚合物沉積到金納米表面來制造這些材料。

漸變折射率表面等離子體光子學超材料，被用于制造呂內堡透鏡和伊頓透鏡，這些透鏡與表面等離子體激元相互作用，而不是與傳統的光子相互作用。

此外，業界還提出了三維負折射率超材料，其可能通過自裝配、多層薄膜沉積和聚焦離子束銑削進行制造。

負輻射壓力超材料

將光照射在傳統材料（即顯示正折射率）上會產生正輻射壓力，這意味著材料被推離光源。而負折射率材料上會發生相反的效應，這意味著材料被拉向光源。

這可被用于諸如提高光源和激光器操作中的能量傳遞效率和光吸收，或改善薄膜太陽能電池中的光吸收。

雙曲超材料

雙曲超材料可表現為金屬或電介質，具體取決于光的傳播方向。在這種情況下，材料的色散關系形成了雙曲面，從而（理論上）產生無限小的傳播波長。

雙曲超曲面已在銀和金納米結構上得到了證明，此類結構具有增強的傳感和成像功能（負折射、無衍射等）。因此，這些結構在光學集成電路內部的量子信息處理方面提供了富有前景的應用。

此外，雙曲型超晶格可以通過兼容的晶體結構 （如氮化鈦和氮化鋁鈧）組合形成。與金和銀不同，這些材料與現有CMOS組件兼容，并且在較高溫度下具有熱穩定性。由于光子密度較高（相比于金或銀），這些材料也是有效的光吸收劑。

雙曲超材料開辟了各種可能性，例如可提供先進傳感功能的平面透鏡、無衍射成像、超靈敏光學顯微鏡、納米諧振器等。

共振納米結構

共振納米結構具有光-物質相互作用所需的強度，電磁相互作用所需的高局域化，以及散射和吸收所需的大橫截面。其可以用作高效的超透鏡、聚光鏡、納米諧振器和亞波長波導。

表面等離子體光子學的應用

表面等離子體光子學依賴于在金屬-電介質界面的納米結構中發生的光學過程。表面等離子體激元，是自由載流子電子和光子在這些界面上相互作用產生的高度約束電磁波。

SPP的可調屬性實現了對光-物質相互作用進行納米級控制，從而在衍射極限光子器件和新一代集成電路納米級電子器件之間建立了一座橋梁。

納米級光信號的產生、放大、處理和路由為電信、生物化學、能量收集和傳感等不同領域的應用提供了許多機會。

以下是一些等離子體-電子-光子混合集成電路潛在應用的突出示例。

傳感器和生物傳感器

表面等離子體光子學材料支持局域表面等離子體共振（LSPR），可增強局部電磁場，從而顯著改進光譜學和傳感應用。

例如，等離子體誘導共振能量轉移（PIRET）可用于提高發光二極管（LED）的效率以及熒光傳感器的性能。

表面等離子體光子學的強大應用之一是：用于檢測微量生物或化學制劑的傳感器。在一個案例中，研究人員將一種容易與細菌毒素結合的物質涂在表面等離子體光子學納米材料上。這種毒素的存在改變了表面等離子體的頻率，因此改變了反射光的角度，這種效應可以非常精確地進行測量，即使是極小的毒素量也能被檢測到。

表面等離子體光子學技術在傳感方面的其他應用包括：區分病毒感染和細菌感染，以及用于監測充電速率和功率密度的電池內部傳感器。

表面等離子體共振（SPR）傳感器

SPR傳感器可有效取代基于色譜的環境污染物檢測技術。事實證明，SPR傳感技術能夠與色譜法一樣準確地檢測氯丁二烯，同時還能更快地獲得結果。

在其他領域，光纖SPR技術（即在光纖末端使用SPR傳感器），可促進光與表面等離子體的耦合。這有助于實現超靈敏、緊湊的傳感器件，其對于遙感應用特別實用。

石墨烯等離子體

在金納米結構上對石墨烯分層，被證明可提高SPR傳感器的性能。石墨烯的低折射率可最大限度地減少干擾，而其較大的表面積有助于捕獲生物分子。

因此，采用石墨烯可擴展SPR傳感器的應用范圍。此外，石墨烯還可提高SPR傳感器在制造過程中對高溫退火的耐受性。

光伏

金類等離子體材料——包括金、銅和銀，已被用于光伏和太陽能電池。這些材料作為電子和空穴供體，在為物聯網網絡中的智能傳感器供電方面發揮著重要作用。

此外，表面等離子體光子學納米材料還可以改善LED的光提取，提高其亮度和效率，從而實現低成本、柔性和輕量化的LED顯示屏。

光學計算

光計算旨在通過將電子器件與光處理器件互換來充分利用光信號的高帶寬。

例如，2014年，研究人員制作了一種由二氧化釩等離子體材料制成的200 nm太赫茲光開關。二氧化釩顯示出在不透明金屬相和透明半導體相之間轉換的能力。

二氧化釩納米粒子沉積在玻璃基板上，并與充當等離子體光電陰極的金納米粒子疊加。隨后，研究人員施加了短激光脈沖，使自由電子從金納米粒子跳到二氧化釩超材料上，從而產生短暫的相變。

二氧化釩開關與現有的硅基芯片兼容，并在光譜的近紅外和可見區域工作。近紅外光對于電信和光通信至關重要，而可見光對于傳感器和顯微鏡至關重要。

表面等離子體光子學超材料還可以幫助磁盤上的熱輔助磁存儲器的存儲——通過在寫入時加熱磁盤上的小點來增加存儲器存儲。

顯微鏡

亞波長表面等離子體光子學的一個顯著應用是超出光衍射極限的顯微鏡應用。該衍射極限使傳統顯微鏡（顯示正折射率）無法分辨小于一半的光波長的物體。

由負折射率表面等離子體光子學材料制成的透鏡可以解決衍射極限問題，產生能夠捕獲傳統顯微鏡視野之外的空間信息的超透鏡，其應用于光開關、光電探測器、調制器和定向光發射器。

表面等離子體光子學的未來

在過去幾十年中，半導體行業在將電子器件縮小到納米級方面取得了巨大進步。然而，在追求10GHz以上的電路時，信號延遲問題會帶來重大挑戰。

雖然光子器件提供了巨大的帶寬，但衍射限制了光子組件的尺寸。而表面等離子體光子學納米技術，在微觀尺度（百萬分之一米）的光子學領域和納米尺度（十億分之一米）的電子領域之間架起了橋梁。

隨著研究人員能夠使用石墨烯等新型超材料，表面等離子體光子學的未來前景一片光明。一旦企業能夠生產出穩健、可靠且價格合理的等離子體器件，表面等離子體光子學納米技術將成為為新一代10GHz+集成電路板提供必要協同作用的關鍵。

到2031年，表面等離子體光子學材料市場的價值將從2023年的近110億美元增長到近400億美元，年增長率約為15.5%。