文献综述
随着人们对光的本质逐渐认识以及对物质结构的深入探索，光与物质相互作用的新现象不断涌现。表面等离子体光学(plasmonics)结构和器件为在纳米尺度上操纵和控制光子, 实现全光集成, 发展更小、更快和更高效的纳米光子学器件提供了一条有效的途径, 因而受到物理学、光学、材料科学、纳米科技等研究领域的广泛关注. 包括美国、欧洲、日本和中国在内的许多国家和地区先后投入了巨大人力和财力进行相关的基础和器件研究工作。
通常情况下,金属内部与表面存在大量自由电子, 形成自由电子气团, 即等离子体(plasmon)[1]。在满足频率和波矢匹配的情况下，光入射时能够激发金属表面电子集体振荡的表面等离激元共振（surface plasmonresonance，SPR）[2-7]，形成束缚在金属与介质界面传播的消逝波，从而在界面附近产生巨大的近场增益。当金属表面存在微粒或微小沟槽，或者采用亚波长尺寸金属颗粒时，光入射激发局域表面等离激元共振（localized surface plasmon resonance，LSPR）[8.9]，并由此引发增强的光散射和吸收[10]。
前景现状：金属纳米结构的表面等离子体光学在光天线、光学传感、生物标记、医学成像、太阳能电池, 以及表面增强拉曼光谱等领域有广泛的应用前景, 这些功能也和金属纳米结构与光相互作用时产生的表面等离子体共振密切相关.
利用表面等离子体结构可以做成光学天线, 其功能类似于传统的电磁波天线, 可帮助天线附近的光学信号更好地辐射到远场区域, 反过来也可以帮助入射光信号更好地聚集到特定的近场区域, 即所谓的热点(hot spots). 在热点区域, 电磁场获得了强烈的增强, 有利于放大光和物质的相互作用强度, 在荧光信号放大、拉曼信号放大、二次谐波及高次谐波产生增强等方面已经有了广泛的应用[11-13]，因而成为国际物理、化学、材料科学和纳米科学与技术研究人员长期普遍关注的话题。其中, 金属纳米颗粒的表面增强拉曼散射(SERS)是实现单分子检测的有效途径之一,得到广泛而深入的探索和研究。
另外，基于纳米颗粒集体LSPR性质的光学传感，金属纳米颗粒的LSPR性质使其在可见到近红外区具有较强的吸收和散射，因此可以利用纳米颗粒集体LSPR性质的变化来实现对特定物质的分析传感。根据获取光信号种类的不同，又可以分为基于LSPR吸收和LSPR散射的分析方法。同时，金属纳米颗粒也可以作为焚光粹灭剂，通过表面能量转移实现对特定分子的传感。当待分析物引起纳米颗粒发生团聚时，由于颗粒间的距离大大减小而发生强烈的等离子体共振耦合，其LSPR吸收或散射光谱可能发生波长、强度的相应变化，基于此可以建立一系列高灵敏度和高选择性的分析传感方法[14]。
而基于金属纳米颗粒的光学性质，在生物传感器、光伏电池、非线性纳米光子学等方面也有重要的应用[15]。对于光伏电池来说，陷光（light trapping）技术是提高薄膜太阳电池光吸收的重要手段[16]。近年来，利用金属纳米结构产生的表面等离激元改善电池陷光成为了光伏领域研究的热点[17]. 这种金属等离激元陷光的物理机制主要归因于金属纳米结构的强散射效应或局域场增强效应。在等离激元硅基太阳电池的制备中，通常将金属纳米颗粒沉积在电池的前或背表面，此时金属颗粒的光散射特性对其陷光效果有重要影响。
一般来说，利用金属纳米颗粒光散射提高光伏电池的光能吸收率主要通过让金属纳米颗粒在光伏电池半导体表面，利用金属纳米颗粒的光散射，使得更多的散射光进入光伏电池半导体层，增加光在半导体层的光程，从而提高电池的光能吸收率[18]；
总而言之, 当光与金属表面等离子体共振模式耦合时, 将发生强烈的光散射和吸收, 自由电子的振荡、聚集和重新分布, 近场区域电磁场的复杂分布和增强效应, 远场区域的光辐射谱线和角分布的复杂调制, 以及光与原子、分子等物质的强烈相互作用,也导致该共振模式与金属纳米颗粒所处背景媒质的物理和化学性质密切相关. 这些物理化学特性在基础科学和高技术领域有广泛的应用. 显著的应用包括高灵敏度的信号检测, 包括荧光检测和拉曼检测(SERS); 高灵敏度的光学传感, 生化检测和 SPR 仪器; 生物医学上对疾病的早期检测和治疗; 非线性光学中的二次谐波产生和高次谐波产生; 以及光催化, 太阳能电池, 感光材料等. 随着人类对等离子体光学研究的深入, 对各种物理本质有更加清晰的理解, 对各种纳米制备技术有更加熟练而精确的掌握和应用, 各种高性能的表面等离子体光学器件将在信息、能源、健康卫生、环境资源等领域大显神通. 到那时, 科学的魅力将得以充分的展现[19].
[1]李志远,李家方.金属纳米结构表面等离子体共振的调控和利用[J].科学通报,2011,56(32):2631-2661.
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