局域表面等離子共振的案例
基于lumerical fdtd模擬等離子共振吸收的折射率傳感器
<p class="ql-align-justify">在表面等離子體激元學研究中，金屬納米粒子的光學特性是許多應用的基礎，例如化學和生物醫學傳感、 表面增強光譜、和近場掃描光學顯微鏡。金或銀納米粒子中的電子與入射光場相互作用時產生局域表面等離子體共振 (LSPR)。這種 LSPR 現象強烈依賴于納米結構的尺寸、形狀和周圍介電環境。特別是后者 的依賴性開辟了一條折射率傳感的道路，對于一定的折射率變化，LSPR現象將導致較大的光譜偏移，從而可以檢測介電環境微小的變化。在實際應用中，金屬納米結構的損失是不可避免的。 為了實現低損耗器件，人們通過優化結構幾何形狀和使用增益材料來降低損耗。超材料是共振金屬納米結構，其晶胞遠小于光的工作波長，通過正確設計超材料中的電磁響應，可以實現完美的吸收。一般來說，在實際應用中，理想的吸收體對入射角和光的偏振不敏感。</p><p class="ql-align-justify">我們的傳感器方案提出了潛在的折射率傳感器平臺，其中局域表面等離子體共振傳感基于簡單的反射率測量，只需使用單波長光源就可完成。圖 1 展示了吸收體傳感器結構的幾何形狀。它由兩個功能層組成：最上層是金納米盤陣列，最下層是金鏡，這兩層由 MgF2 電介質隔開。該結構設計為在垂直入射時在 x 和 y 方向上與偏振無關。</p><div contenteditable="false" width="100%" class="ql-align-justify"><img src="https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-axegupay5k/f60824320abb41ac838d27131f57563b~noop.image?
展開 16，comsol仿真MIM波導（含慢光效應方面的曲線繪制） ￥1450
參考文獻是《帶有Ｔ型腔的ＭＩＭ 波導的法諾共振特性研究》-吳迪
帶有T型腔的MIM波導的法諾共振特性研究_吳敵.pdf
在之前的第2篇文章和第3篇文章中介紹了金納米顆粒的局域表面等離子體共振LSPR。在我看來，有個東西叫spp效應，與它像兄弟關系。spp就是 傳導型 表面等離子體共振，LSPR是 局域型 表面等離子體共振。感興趣的可以學下這兩本書。
在我看論文時發現，LSPR的文章多如牛毛，而SPP方面的文章就相對來說少見了。今天說的MIM波導正好與SPP有點相關.
下面是論文的結果 VS 我的結果
1，慢光效應的延時時間計算和等效折射率
上面這三張圖就是該復現該論文的難點，光學延遲時間和群折射率計算公式如下
難點在于要對圖7a求出的曲線，首先求每點的切線斜率，然后所有點的切線斜率合在一起得到圖7b。那么問題是該怎么求各點的切線斜率？翻翻高等數學書導數的定義就知道了。這里上面三幅圖我是在matlab中繪制的，主要原因是在comsol中還沒法畫出圖7a。
2，求MIM波導的透射率。這是MIM波導方面文章的必仿內容。
下面是付費內容，包含上面所有圖片的comsol模型以及對應的matlab代碼
展開 Ansys | 什么是表面等離子體光子學及其應用
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。
展開 一期一會 | 表面等離子體光子學詳解及其應用
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。
展開 
【科普系列】基于超材料的無標記光學生物傳感
圖3中紅外波段超材料生物傳感器
（a）同軸納米孔超材料；（b）雙諧振峰等離子體超材料；（c）石墨烯納米帶超材料及其（d）表面電場局域示意圖；（e）用于分子指紋成像檢測的介質基超表面
3 太赫茲波段超材料生物傳感器
太赫茲波位于紅外光和微波輻射之間，包含了大量與生物分子（蛋白質、DNA等）振動及轉動相關的光譜信息，在其發展之初即受到了廣大研究者的重視。且與其他光學技術（紫外線、X射線等）相比，它的非侵入性和非電離性允許太赫茲技術被用來檢測細胞和組織等更為復雜的結構生物材料，而不必擔心熱波動或其他非線性副作用的影響。然而，由于生物分子在太赫茲波段的吸收截面過小，與電磁波的相互作用較弱，使得光譜信號的變化微弱，給檢測帶來了很大難度。近年來，為了提高生物傳感器的檢測靈敏度，基于超材料生物傳感芯片的太赫茲檢測技術已相繼被開發。基于局域表面等離子體共振、法諾共振以及環偶極子共振的太赫茲超材料可以有效增加分子吸收截面，能夠用于碳水化合物、化學混合物、薄樣品層和微生物等試樣的高靈敏檢測（圖（4））。
展開 雙層石墨烯/砷化鎵的等離子體共振光柵結構光電探測器數值仿真 ￥500
<p>本案例設計了一雙層石墨烯/砷化鎵光柵結構，基于COMSOL軟件的半導體及相關模塊，模擬了石墨烯和砷化鎵之間的載流子分離和轉移異質結區域產生的電磁場分布，如圖1所示，并進一步分析得到不同波長下的吸收率曲線，如圖2所示。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202206/imgs/80019830f9304a1799118885f068db17.gif" alt="Untitled.gif"></p><p class="ql-align-center"><strong>圖1 電磁場仿真結果</strong></p><p><img src="https://img.jishulink.com/202206/imgs/47ce638fc01b4bf3972ae6a3aec043ea.png" alt="Untitled2.png"></p><p class="ql-align-center"><strong>圖2 吸收率隨波長變化曲線</strong></p><p>感興趣的朋友可下載模型源文件，歡迎交流合作</p><p><br></p><p><br></p>
展開 中國地大張以河&黃洪偉Nano Energy：表面羥基極化促進氮化碳局域電荷分離與質子活化
圖三：光催化產氫活性
圖3 CN和溫度調制的純水水熱羥基化氮化碳OH-CNx （x=1、2、3、4）樣品可見光（λ > 420nm）下的（A）產氫曲線圖和（B）產氫速率圖；（C）產氫循環曲線；（D）CN和等離子體機處理CN樣品產氫曲線；（E）銨鹽輔助pH調節的表面羥基修飾樣品的產氫曲線和速率圖；（F）OH-CN3 和磷酸銨輔助水熱的OH-CN樣品 Ar+刻蝕前后的O 1s XPS譜圖。
圖四：光電化學性能
圖4 CN和溫度調制的純水水熱羥基化氮化碳OH-CNx樣品可見光（λ> 420nm）下的光電流（A）和阻抗譜（B）；（C）CN和OH-CN3樣品在含有MV2+溶液中的I-V曲線; （D）CN和OH-CNx樣品表面光電壓譜。
圖五：密度泛函理論計算
圖5 表面羥基化氮化碳電子局域函數（A）和差分電荷（B）；（C）CN、O-CN和OH-CN質子吸附查分（藍色為電荷富集，黃色為電荷消耗）。
圖六：電荷分離和質子活化示意圖
圖6 表面羥基修飾聚合物氮化碳的電荷分離和質子活化示意圖
【小結】
通過溫度調制的純水水熱以及銨鹽輔助pH調控的水熱后處理實現了氮化碳表面深度羥基化，在不改變原有光吸收、能帶結構及比表面積的情況下大幅度提高了氮化碳光解水產氫效率。實驗和理論計算發現表面羥基接枝在氮化碳結構中的碳原子上，其局域極化作用增強了局部載流子分離效率，提高了體相電荷分離效率、界面電荷傳遞效率和載流子密度。同時發現表面羥基能活化鄰位的二配位氮原子，加速了對質子的吸附作用。在以上雙重作用的促進下氮化碳光解水產氫效率得到了大幅提高。該工作有望為催化劑表面極化設計增強光催化活性提供更多參考。
文獻鏈接：S. Yu, J. Li, Y. Zhang, M. Li, F. Dong, T. Zhang, H.
展開 OptiMode應用矢量有限元法模擬表面等離子體激元
這些表面等離子體激元(SPPs)在金屬電介質界面具有電場強度極值，由于其對任意接近該表面的改變極其敏感通常可用于傳感應用。利用合適的模式解算器可以得到具有2D結構的導模。
等離子體平均功率流圖
1. 應用
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亞波長光學
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傳感
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信號傳輸
?
光學偏振器
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彎曲波導
2. 優勢
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VFEM模式求解器可輕松處理高橫縱比的波導
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搜索具有復值模式指數的模態
?
高階插值混合向量/節點元素,可以準確地捕捉到金屬與電介質交界面附近的高電場強度
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三角網格尺寸能夠適應高精度材料屬性
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利用波導的對稱性，可以降低仿真域并把具有特定對稱性的模態作為目標
?
VFEM快速而且精確
3. 仿真描述
矢量有限元法（VFEM）模式求解器接收復介電常數材料，并使用特別適合對高對比度介電界面進行建模的矢量基函數來表示。其中一個很好的例子就是使用VFEM模式求解器來計算表面等離子傳導結構。
該結構在研究中背面顯示為黑色輪廓線，中心范圍的銀由介電常數為4的材料圍繞。材料銀在633nm波長的介電常數是-19-j0.53[1]。該傳導結構不僅僅有高介電常數對比度組成，同時具有較高的橫縱比，即寬度遠大于厚度。
利用對稱邊界和如[1]中分類的模式組合，相應波導厚度模式的色散曲線如圖1所示。所有模式具有一個主Ey分量，該分量有TM模組成并具有無限寬度結構。
展開 OptiMode應用矢量有限元法模擬表面等離子體激元
這些表面等離子體激元(SPPs)在金屬電介質界面具有電場強度極值，由于其對任意接近該表面的改變極其敏感通常可用于傳感應用。利用合適的模式解算器可以得到具有2D結構的導模。
等離子體平均功率流圖
1.應用
?亞波長光學
?傳感
?信號傳輸
?光學偏振器
?彎曲波導
2.優勢
?VFEM模式求解器可輕松處理高橫縱比的波導
?搜索具有復值模式指數的模態
?高階插值混合向量/節點元素,可以準確地捕捉到金屬與電介質交界面附近的高電場強度
?三角網格尺寸能夠適應高精度材料屬性
?利用波導的對稱性，可以降低仿真域并把具有特定對稱性的模態作為目標
?VFEM快速而且精確
3.仿真描述
矢量有限元法（VFEM）模式求解器接收復介電常數材料，并使用特別適合對高對比度介電界面進行建模的矢量基函數來表示。其中一個很好的例子就是使用VFEM模式求解器來計算表面等離子傳導結構。
該結構在研究中背面顯示為黑色輪廓線，中心范圍的銀由介電常數為4的材料圍繞。材料銀在633nm波長的介電常數是-19-j0.53[1]。該傳導結構不僅僅有高介電常數對比度組成，同時具有較高的橫縱比，即寬度遠大于厚度。
利用對稱邊界和如[1]中分類的模式組合，相應波導厚度模式的色散曲線如圖1所示。所有模式具有一個主Ey分量，該分量有TM模組成并具有無限寬度結構。
圖1 模態指數作為銀厚度的函數
對于厚度值較小的一些模式表現出較小的損耗，如SS0模式，其Ey分量關于x和y軸對稱。SS0模式備受關注，因為除了其較低的損耗，其坡印廷矢量與一個光纖(HE11)的基模在形狀上極為相似[1]。
SS0模式的坡印廷矢量沿軸傳輸顯示在背面；注意的是，功率在交界面的限制遠大于中心。
展開 微波爐內葡萄產生電磁場表面等離子增強效應，發出火光
</p><p><br></p><p> 要知道，當物體的大小和波長差不多相同時，微波就很容易被困在葡萄當中，發生全內反射，來自于各種方向的微波在葡萄內部就會形成共振模式，可以把它看成是駐波，這就類似于電磁場在葡萄當中震蕩，其中磁場強度最大的部位就是葡萄的中心，中心的位置溫度也最高。</p><p><br></p><p> </p><p><img src="https://pic.rmb.bdstatic.com/bjh/down/2199d5995a5061a1d525f53e718c1407.gif"></p><p> 只要電磁場的強度足夠高，能量密度足夠高，就會使得連接處位置的物質發生電離，并成為等離子體，同時產生“火花”。</p><p><img src="https://pic.rmb.bdstatic.com/bjh/down/2e2eb9550cf0d9969858e05992602e4d.gif"></p><p>實際上，并不只是葡萄，換成其他的球狀物，大小與葡萄相近，也可以獲得同樣的效果。科學家把葡萄換成是差不多大小的水球，也得到了類似的現象。</p><p><img src="https://pic.rmb.bdstatic.com/bjh/down/91756a074afc82ba592b99c0d88f0399.gif"></p><p> 不僅如此，他們通過研究還發現，葡萄中發光元素是鈉元素和鉀元素，而水球中的發光元素是鈉元素，這是因為水球中含有氯化鈉。
展開 基于comsol的石墨烯表面等離子波導分析 ￥1500
</p><p>表面等離子體激元( Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是電磁波與金屬表面的自由電子相互耦合產生的沿著金屬和介質界面傳播的一種電磁表面波模式1習,存在于金屬膜結構、納米型結構阿、碳分子結構,最近發現存在石墨烯結構中。入射光束的電場能夠驅動金屬結構分界面的自由電荷(傳導電子)來回集體振蕩運動,具有限制光和電場增強的能力。同時其分布深度波長量級以下,且不再受限于衍射極限門。因此,表面等離子體可以將光限制在亞波長尺寸范圍內進行操控,成為實現亞波長量級光電子器件的有效可行途徑,促進光電子器件和傳感器件性能的進一步提升。基于表面等離子體的光子學是目前國際前沿研究領域,憑借其優勢吸引眾多學者參與研究。</p><p><br></p><p>本模型采用Si和SiO2做基底，表面敷設石墨烯。</p><p><br></p><p>沒有增加石墨烯的情況，13THz的波無法在模型內傳播。 <img src="https://img.jishulink.com/images/202205/pPxZEzit6h4qdPdsWPMUc5.png"> 增加石墨烯后，在一定頻率下出現耦合。
展開 
19，comsol仿真spp波
spp全稱是surface plasmon polarition（表面等離激元，文中叫SPR-surface plasmon resonance），但是為了將其與局域表面等離子體共振LSPR（localized surface plasmon resonance），我個人喜歡將spp稱作 傳播型 表面等離子體共振。為什么要加傳播型？看下圖
下方灰色的是棱鏡，棱鏡上面是一層50nm的金膜（中間是有金膜的，但為了更好展示spp波，沒有畫出中間的金膜），金膜上方是水（水未畫出），一束傾斜入射的光源從棱鏡中照射到金膜上，在金膜與水的分界面上激發出spp波，可以看到金膜上面的spp波在y軸方向上很快衰減掉，在x方向上會傳播 (注意我覺得傳播型表面等離子體共振體現在這了) 一段距離，隨著傳播距離增加也會逐漸衰減掉（因為金是有損耗介質）。
主要注意的是入射的光應該是TM波，即E僅在x,y方向有分量，H僅在z方向有分量，如果是TE波（Hx,Hy,Ez）就不能激發出spp波。為什么會這樣呢？一方面可以從數學公式推導給出解釋（https://www.bilibili.com/video/BV1bE41177DX?p=34 ），另外一方面可以定性的解釋如下（注意下面的定性解釋是我經過思考悟出來的，不是別人告訴我的，所以正不正確見仁見智）：由于金膜中有大量的可自由移動的電子（也就是固體物理中的金屬的電子海洋），它的運動方向與光的偏振方向相反（可以把光的瞬時偏振看成電磁學中的靜電場，電子在靜電場中的運動趨勢是從電勢低處跑向電勢高處）。
展開 清華大學 張若兵 等：等離子體射流與表覆多孔無機污穢硅橡膠間的相互作用：表面憎水或親水？
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主要實驗結果
本文利用等離子體射流處理表面涂覆有多孔高嶺土污穢的染污硅橡膠，研究其憎水性變化。
圖1 實驗裝置
隨著等離子體處理時間的增大，染污硅橡膠表面先迅速變為憎水，超過閾值時間后再變為親水。灰密不同，處理后表面憎水性變化呈現相同的規律。等離子體的均勻性直接決定處理區域憎水角的徑向分布。
圖2 等離子體處理時染污硅橡膠表面處理區域中心點接觸角（a）與距中心點不同距離處的接觸角（b）
等離子體作用下染污硅橡膠表面憎水性提高主要由未交聯小分子硅氧烷從硅橡膠向高嶺土表面遷移引起，小分子的含量和處理后憎水性提高速度正相關。
展開 核殼納米結構的構筑、光催化應用及應用前景
圖七：軟模板法合成核殼結構
使用表面活性劑作為模板的典型軟模板的示意圖及不同SiO2殼結構的TEM圖像。
圖八：軟模板法合成多殼結構
基于表面活性劑的軟模板方法合成具有多殼的核殼結構材料及其TEM圖像。
圖九：乳液為模板的軟模板法
使用乳液作為模板的軟模板法合成TiO2@SiO2核殼結構材料，Au@SiO2核殼結構材料及其TEM圖像。
圖十：超聲波噴霧熱解軟模板法
基于氣溶膠的噴霧熱解方法的示意圖及制備的Fe2O3@Fe2O3材料的表征。
圖十一：“瓶中造船”法合成多殼結構
“瓶中造船”法原位合成示意圖及其表征。
圖十二：基本方法的結合
結合了硬模板，軟模板，水熱法和“瓶中造船”法合成TiO2@TiO2雙殼結構及TEM圖像。
圖十三：散射增強增強電荷產生
(a-d) 固體顆粒，單核核-殼結構，雙殼結構和多殼結構的光散射形式的示意圖；
(e-h) 不同結構不同激活的核殼結構及其協同促進光催化作用。
圖十四：局域表面等離子體共振增強電荷產生
(a) 等離子體粒子上的等離子體振蕩示意圖；
(b) 增強等離子體材料光催化作用的三種機制示意圖；
(c-e) 熱電子注入的影響的精細示意圖。
展開 