石墨烯之表面等離子共振性質_機理 (#16)

2015-7-18

近年來科學家發現可以利用表面等離子 (surfacenplasmon)來增加光和物質的交互作用。表面等離子是指金屬表面電子的集體振盪n(collective oscillation)，當光與表面等離子共振時，光場會被有效的侷限在金屬表面而大幅增強。利用這個效應，科學家成功地在金屬奈米粒子形成的熱點n(hot spots)中發現了增強10^14倍的SERS訊號。由於表面電漿現象為一種強烈的局域現象，可以將電子維持在小範圍內做集體共振，有辦法將電磁波原有的尺度限制到更小的範圍，達到奈米尺度或是次波長範圍；而石墨烯的性質與大多數常見的三維物質不同，純石墨烯是一種半金屬或零能隙半導體。石墨烯由於其特殊能帶結構，也被觀察到有表面等離子現象的發生。另一方面，氧化石墨烯由於在氧化過程中受到氧化劑影響，會使得完整的蜂巢狀結構受到破壞，造成sp2團簇 (cluster)減少，能隙產生變化，因此可以造成光致發光；且表面等離子共振可以當作一個百分之百反射的共振腔，對於雷射的應用是非常有前景的。

金屬的表面等離子振蕩，類似於固態晶格的集體振蕩效應之量子化而形成聲子(phonon)，這些表面自由電子的集體運動也形成所謂的表面等離子n(surface plasmon, SP)，並且伴隨著表面電漿振蕩所產生的電磁波亦具有其特定之色散關係 (dispersion relation) 與共振頻率。而另一方面，對於TE 極化 (入射波電場矢量E與入射面垂直，入射波磁場矢量H與入射面平行，為TE波)n之電磁波而言，由於其電場在介電物質與金屬介面上只有沿著介面方向連續之水平分量，因此並不會在金屬表面累積產生自由電子極化強度，所以TEn極化之電磁波將無法於金屬表面造成表面等離子共振模態。

表面等離子體是指在金屬表面存在的自由振動的電子與光子相互作用產生沿著金屬表面傳播的電子疏密波，可用來研究太赫茲波組件用。而石墨烯中的狄拉克電子在狄拉克點附近呈現「能量-動量色散關係」，這使得石墨烯在UV-可見光-紅外區域的超寬域光譜範圍內任何頻率的光子都具有共振的光學響應。而表面等離子體增強可運用在﹕感測、光電子器件、太陽能電池的光電轉換效率及LED的出光效率。加上電磁波 (光子)無所不在，我們理當好好理解它的奧妙。

nn電磁波，又稱電磁輻射，是由同相振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的形式傳遞能量和動量，其傳播方向垂直於電場與磁場構成的平面。電磁輻射的載體為光子，不需要依靠介質傳播，電磁輻射可按照頻率分類，從低頻率到高頻率，主要包括無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線。我們正在探索光子透過何種機理分別與聲能、化學能、熱能、電能及光能做能量轉換髮現，在聲能方面為「光致發聲」，據分析是透過光(光子)→ 熱(載流子)→ 聲(聲子)方式進行﹔在化學能就是我們熟知的「光合作用」﹔在熱能方面為「光熱轉換」，就是我們這篇談的「等離子體共振」﹔在電能方面為「光電轉換」，系透過光增益來增加電子-空穴對﹔在光能方面為「光致發光」，系透過物質吸收光子躍遷到較高能帶的原理。如果再能精確掌握「催化」及「摻雜」的技巧，或許有一天可以實現更多的應用技術了。
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