在非金属材料与介质界面激发表面等离子波与激元的方法技术

本发明专利技术提供一种在非金属材料与介质界面激发表面等离子波的方法，包括以下步骤：利用一预定的非金属材料例如砷化镓来选择介质和作为电磁激励源的入射电磁波，非金属材料、介质和入射电磁波的波长满足下述条件：Re(εm)<0且|εm|>εd，εm表示非金属材料的相对介电常数，Re(εm)表示非金属材料的相对介电常数的实部，εd表示介质的相对介电常数，|εm|表示εm的绝对值；以及以所述选择的入射电磁波对所述预定的非金属材料进行激励，在非金属材料与介质的界面上激发表面等离子波。本发明专利技术还涉及一种非金属材料与介质界面上激发表面等离子激元的方法，通过在非金属材料表面形成周期性结构然后再进行电磁波激发，产生表面等离子激元。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电磁场与物质相互作用领域，具体而言涉及一种在非金属材料与介质 界面上激发表面等离子波W及激发等离子激元的方法。
技术介绍
表面等离子激元（SPP)效应是一种发生在满足特定要求的导电材料在空气或其他 介质中受到电磁场激发后，在其表面产生的一种特殊的光子和自由电子所形成的等离子波 的集体共振，其原理如附图1所示。现有技术中，SPP效应通常是由光和金属表面的自由电 子相互作用而形成的一种电磁波模式，如图1所示，其中材料1是表面包含有自由电子并且 能够被激发出表面等离子波的导电材料，可W称为SPP材料（即图中的SPP material);材 料2是介质材料(即图中的dieletric)，通常为空气。 目前，表面等离子激元在光束形成、亚波长结构与等离子设备的制备、生物化学感 知等方面具有广泛应用。但对于表面等离子激元的激发局限在金属材料上，而多数金属只 能在一定的波长范围内产生较强的SPP效应(通常为可见光波段)。 在半导体技术中，为了利用SPP效应尤其是其局部电场增强功能，现有的一些办 法是在非金属的半导体材料表面上再锻一层金属膜，比如银质膜，然后在该层银膜上刻蚀 出能激发SPP效应的周期性结构。该种方法的弊端在于；（1)工艺复杂，可重复性差，且增 加了工序和成本；（2)电磁场增强效应本身仍然是在金属膜表面发生，再传导到半导体材 料例如神化嫁层上，其效果减弱；（3)金属膜的存在限制了神化嫁器件的本身的性能。
技术实现思路
鉴于现有技术中存在的上述缺陷，本专利技术目的在于提供一种在非金属材料与介质 界面激发表面等离子波的方法。 本专利技术的另一目的还在于提供一种在非金属材料与介质界面激发表面等离子激 元的方法。 为达成上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下： -种在非金属材料与介质界面激发表面等离子波的方法，包括W下步骤： 利用一预定的非金属材料选择介质和作为电磁激励源的入射电磁波，非金属材 料、介质和入射电磁波的波长满足下述条件：Re( e m)<0且 Ieml〉e d， 式中，em表示非金属材料的相对介电常数，Re(em)表示非金属材料的相对介电 常数的实部，Ed表示介质的相对介电常数，IEml表示e。的绝对值；W及 W所述选择的入射电磁波对所述预定的非金属材料进行激励，在非金属材料与介 质的界面上激发表面等离子波。 进一步的实施例中，所述预定的非金属材料为半导体材料。 进一步的实施例中，所述预定的非金属材料为神化嫁。 进一步的实施例中，所述介质为空气，所述入射电磁波采用124. 6nm~262. Inm波 长范围内的紫外线。 根据本专利技术的改进，本专利技术的另一方面还在于提出一种在非金属材料与介质界面 上激发表面等离子激元的方法，包括W下步骤： 利用一预定的非金属材料选择介质和作为电磁激励源的入射电磁波，非金属材 料、介质和入射电磁波的波长满足下述条件：[001引Re( e m)<0且 Ieml〉e d， 式中，em表示非金属材料的相对介电常数，Re(em)表示非金属材料的相对介电 常数的实部，Ed表示介质的相对介电常数，I E ml表示e。的绝对值； 在所述预定非金属材料表面形成周期性结构； W所述选择的入射电磁波对所述非金属材料上的周期性结构进行激励，在非金属 材料与介质的界面上激发表面等离子激元。 进一步的实施例中，所述周期性结构的周期长度按照下述公式计算： 式中，Asp表示周期性结构的周期长度，表示入射电磁波在真空中的波长。进一步的实施例中，在所述预定非金属材料的一个表面或两个表面上形成周期性 结构。 进一步的实施例中，所述预定的非金属材料为半导体材料。 进一步的实施例中，所述预定的非金属材料为神化嫁。[002引进一步的实施例中，所述介质为空气，所述入射电磁波采用124. 6nm~262. Inm波 长范围内的紫外线。 进一步的实施例中，所述周期性结构为同也环形周期性结构和条纹状周期结构中 的一种。由W上本专利技术的技术方案可知，本专利技术所提出的在非金属材料与介质界面上激发 表面等离子波和等离子激元的方法，与现有技术相比，其显著效果在于： 1)采用非金属材料用于激发表面等离子波和表面等离子激元现象，突破了 W往必 须采用金属激发表面等离子波和表面等离子激元的局限性，使得表面等离子波的应用扩大 到几乎所有材料； 2)利用非金属材料能够激发表面等离子激元现象，大大简化了 W往需要在非金属 材料表面锻金属薄膜后再进行蚀刻的工艺，实现了只需要在非金属材料中不借助金属薄膜 直接实现表面等离子激元效应； 3)采用非金属材料实现表面等离子激元，可W利用现阶段已经十分成熟的半导体 工艺技术来处理非金属材料，显著提高产品加工精度W及加工优品率； 4)利用本专利技术的方法，结合现阶段的负折射率材料，可W实现在大范围波段上激 发表面等离子激元现象，使得该技术可W投入到多数产品工艺中，大大扩展了表面等离子 激元的应用范围；5)利用非金属材料实现表面等离子激元现象，大大弥补了金属材料所激发的表面 等离子激元在波长范围限制上的不足（当前常用金属材料所激发的表面等离子波一般局限 在可见光波段)，扩展了表面等离子激元应用的波长范围，从而对于深紫外波段等波长范围 的应用做了很好的补充。【附图说明】 图1为本专利技术表面等离子波产生的原理示意图。图2为一个半导体材料神化嫁的介电常数绝对值W及介电常数实部示意图。 图3为本专利技术一实施方式中所用周期性结构的一个示例图，其中图（a)为俯视图， 图（b)为侧视图。 图4为与图3所示周期性结构进行对比的参照结构示意图，其中图（a)为俯视图， 图（b)为侧视图。 图5为利用图3的周期性结构在248nm激励下所得电场在远场处的角度分布图。 图6为利用图4的参照结构在248nm激励下所得电场在远场处的角度分布图。 图7为本专利技术一实施方式中所用周期性结构的另一个示例图，其中图（a)为俯视 图，图（b)为侧视图。【具体实施方式】 为了更了解本专利技术的
技术实现思路
，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。 如图1所示，根据本专利技术的较优实施例，一种在非金属材料与介质界面激发表面 等离子波的方法，包括W下步骤： 利用一预定的非金属材料选择介质和作为电磁激励源的入射电磁波，非金属材 料、介质和入射电磁波的波长满足下述条件： Re( e m)<0 (公式 1) 且 I e ml〉e d (公式 2)， 式中，e m表示非金属材料的相对介电常数，Re( e m)表示非金属材料的相对介电 常数的实部，Ed表示介质的相对介电常数，I E ml表示e。的绝对值；W及 W所述选择的入射电磁波对所述预定的非金属材料进行激励，在非金属材料与介 质的界面上激发表面等离子波。 作为可选的实施方式，所述介质可选择负介电常数的材料或正介电常数的材料中 的一种，例如空气、水等。 较为优选地，所述预定的非金属材料为半导体材料。本实施例中，W神化嫁（GaAs) 为例，详细说明上述实施例方法的实现。 如图2所示为一种半导体材料神化嫁的介电常数实部W及介电常数绝对值当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在非金属材料与介质界面激发表面等离子波的方法，其特征在于，包括以下步骤：利用一预定的非金属材料选择介质和作为电磁激励源的入射电磁波，非金属材料、介质和入射电磁波的波长满足下述条件：Re(εm)<0且|εm|>εd，式中，εm表示非金属材料的相对介电常数，Re(εm)表示非金属材料的相对介电常数的实部，εd表示介质的相对介电常数，|εm|表示εm的绝对值；以及以所述选择的入射电磁波对所述预定的非金属材料进行激励，在非金属材料与介质的界面上激发表面等离子波。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：顾文华，赖森锋，吴文，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32