综述：等离激元波产生研究进展：材料体系、人工智能辅助设计方法及应用

《Micro and Nano Engineering》：A review of plasmonic wave generation: Materials, AI-based design approaches, and applications

　　

等离激元学研究金属-电介质界面处自由电子的集体振荡行为，已成为一门发展迅速的前沿学科，可实现亚波长尺度下电磁波的精准操控。通过材料工程、精密制备及计算模拟领域的突破，等离激元模式的设计与调控能力显著提升，推动了能量收集、医学诊疗、通信及国防等领域的技术革新。本综述系统梳理了贵金属、半导体、石墨烯基材料及混合纳米结构等各类等离激元材料，同时涵盖用于等离激元波调控的超材料体系。传统金属材料存在高能量损耗、可调谐性有限等性能瓶颈，而超材料可通过定制化电磁响应增强等离激元波的传播、局域及色散特性，有效解决上述问题。文中还对比讨论了不同材料的等离激元性能与物性特征。此外，综述重点阐述了深度学习（Deep Learning, DL）与机器学习（Machine Learning, ML）在等离激元及超材料系统设计与优化中的应用。研究人员从基本原理、材料发展、超材料辅助的等离激元工程及人工智能赋能方法四个维度展开论述，明确了这些要素对未来等离激元技术及应用发展的支撑作用。

1. 1.
   引言
   等离激元学聚焦于电磁波与半导体、金属中电子集体振荡的相互作用机制。传统认知中，金属主要作为优良导体或光学反射镜使用，但在激光陀螺仪、高精度传感器等应用中，其吸收损耗、热效应及低损伤阈值限制了性能发挥，介电涂层因此成为优选方案。近几十年的研究突破了这一局限，将金属从被动反射介质拓展为主动支持独特电磁现象的载体。从电磁学视角看，金属可描述为固定正离子实与可动传导电子构成的等离子体，二者相互作用激发的集体振荡即为等离激元，相关研究形成了当前蓬勃发展的等离激元学领域。材料科学的发展始终与科技进步紧密关联，从青铜时代、铁器时代到现代半导体与光子材料，新材料不断推动信息处理、能量控制与通信能力的提升。过去一个世纪，半导体器件缩放遵循摩尔定律，处理性能呈指数级增长，但随着晶体管尺寸缩减至数纳米，高功率密度、漏电流及短沟道效应等问题凸显，等离激元学因能实现亚波长尺度的电磁波-自由电子耦合调控，成为延续信息处理性能增长的重要替代技术路径。等离激元学通过桥接光学与电子学，实现光与物质的强相互作用、纳米尺度能量局域及超快数据传输，其核心激发模式包括沿金属-电介质界面传播的表面等离激元极化激元（Surface Plasmon Polaritons, SPPs）和局限于金属纳米颗粒的局域表面等离激元（Localized Surface Plasmons, LSPs），二者共同支撑了超越传统光学衍射极限的等离激元器件研发，如波导、谐振腔、调制器及传感器等。1956年David Pines首次提出等离激元概念，1957年Ritchie通过实验验证了表面等离激元的存在，奠定了这一融合材料科学、光学工程与物理学的多学科基础。当前，等离激元技术已广泛应用于高速通信、能量收集、高灵敏度生物传感及微型光子回路等领域，在医疗诊断、光热治疗、光伏催化及红外隐身等方面展现出显著潜力。与传统综述仅聚焦基础原理、超材料结构或单一应用不同，本综述整合了等离激元波产生、先进超材料、新兴材料及人工智能辅助设计策略，重点阐述了从基础电磁理论到多功能应用的转化路径，涵盖通信系统、可穿戴平台、传感、能量收集、电磁屏蔽及隐身技术等方向。同时，针对传统贵金属材料成本高、环境敏感性差、可调谐性不足及欧姆损耗高等局限，综述探讨了新型等离激元材料与工程技术的研发进展。超材料作为人工设计的亚波长结构单元，可呈现负折射、可调介电常数与磁导率及定制化色散等天然材料不具备的电磁响应，其与等离激元的结合进一步拓展了电磁场调控能力，实现了隐身、超透镜等突破性功能。为克服传统数值方法（如有限元法FEM、时域有限差分法FDTD）计算成本高的问题，机器学习与数据驱动优化方法被引入等离激元器件设计，通过物理信息神经网络（Physics-Informed Neural Networks, PINNs）、逆向设计等技术显著提升设计效率。本文结构安排如下：第2节阐述等离激元波的基础原理与分类；第3节讨论各类先进等离激元材料的电磁特性；第4节综述基于等离激元的超材料系统与亚波长波调控；第5节介绍人工智能驱动的设计优化方法；第6节概述通信、传感、能量收集等领域的应用；最后探讨技术挑战、制备局限及未来发展方向。
2. 2.
   等离激元波基础
   等离激元学研究金属结构中自由电子的集体振荡，当金属纳米颗粒尺寸远小于入射电磁波波长时，会激发局域等离激元，产生强电磁近场增强效应；在金属-电介质界面，此类振荡可实现亚波长尺度的强场局域与光-物质相互作用增强。基于自由电子等离子体模型，传导电子表现为电子气，受外电场扰动后库仑恢复力引发集体振荡，其固有频率即为等离子体频率ω_p，表达式为ω_p²=ne²/(mε₀)，其中m为有效电子质量，ε₀为真空介电常数，n为自由电子密度，e为元电荷。通过调节载流子密度n可实现ω_p的调谐，这是设计可调谐等离激元器件的核心依据。实际材料中，电子运动存在多种损耗机制，包括带内电子-电子散射、电子-声子散射、杂质散射及表面散射，这些机制共同导致等离激元响应的阻尼，可通过Drude模型描述金属的频率依赖介电常数：ε_m=1?ω_p²/(ω²?iγω)，其中γ为与散射过程相关的阻尼常数。体等离激元对应金属内部传导电子的纵向振荡，由于电磁波的横波特性，无法通过光学手段直接激发，但可利用高能电子束通过电子能量损失谱（Electron Energy Loss Spectroscopy, EELS）进行表征。对于金属纳米颗粒，静电近似下的极化率表达式为α=4πa³(ε_m?ε_d)/(ε_m+2ε_d)，其中ε_d为周围介电介质的介电常数，共振条件ε_m=?2ε_d对应局域表面等离激元共振（Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR），是表面增强拉曼散射（Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS）的物理基础。SPPs通常通过棱镜耦合技术激发，包括Kretschmann构型（金属薄膜沉积于棱镜表面）和Otto构型（棱镜与金属层间设置空气隙）。等离激元波的核心特性包括强场局域、亚波长传播及增强的光-物质相互作用，其皮肤深度（趋肤深度）受工作频率、材料介电常数、阻抗及结构几何影响，表达式为皮肤深度=(1/宽度)×√[2/(ω²ε₀²(1?ε_r))×d/z]，其中d为距离，z为阻抗。

2.1 等离激元波类型

等离激元激发主要分为传播型的SPPs和非传播型的LSPs，此外还包括电荷转移等离激元（Charge Transfer Plasmons, CTPs）等杂化模式。LSPs由金属纳米颗粒（如金、银）内的电子局域振荡产生，在可见光-近红外波段呈现强局域场增强，适用于传感与成像；SPPs源于金属-电介质界面的电子集体振荡，支持沿表面的传播波，在可见光-紫外波段具有长传播长度，是等离激元波导与光子回路的基础；CTPs产生于导电连接的纳米颗粒桥接结构，通过颗粒间的电荷转移实现共振调谐，在结区形成强场局域，在超高灵敏度传感与光电子领域具有重要应用价值。三类模式的场局域特性、传播机制、结构配置及应用方向存在显著差异，共同构成了等离激元物理的基本框架。

2.1.1 表面等离激元极化激元（SPP）

SPPs是存在于金属-电介质界面的传播型电磁表面波，可将电磁场约束在亚波长尺度并实现超越衍射极限的传播。其研究历史可追溯至1902年Wood在金属光栅反射实验中观察到的异常现象，1908年Mie提出的球形颗粒光散射理论、1956年Pines提出的“等离激元”概念及Ritchie对表面等离激元的理论描述奠定了理论基础。当入射光与SPPs发生共振耦合时，即产生表面等离激元共振（Surface Plasmon Resonance, SPR），表现为反射或透射光的锐利变化，伴随表面电磁场的强局域。SPPs的色散关系为k_SPP=k₀√[ε_dε_m/(ε_d+ε_m)]，其中k₀为真空中波矢，ε_d和ε_m分别为介电介质与金属的介电常数。色散曲线显示SPPs为慢波，其波矢大于同频率自由空间波的波矢，且在接近表面等离激元频率时局域性显著增强，群速度与光速相当但随频率升高而降低。

2.1.2 局域表面等离激元（LSP）

LSPs局限于金属纳米颗粒内部，不具备传播特性，与SPPs的场分布与激发机制存在本质区别。当入射光频率与纳米颗粒的电子自然振荡频率匹配时，激发LSPR，可在颗粒周围产生强电磁近场。球形、椭球形、棒状、新月形及星形等多种形貌的纳米颗粒均可支持LSPR，颗粒聚集或近场耦合可产生杂化共振模式。通过引入空穴或孔洞形成的环状结构可支持独特的局域等离激元模式。LSPR频率可通过调节颗粒尺寸、形貌及材料组分在紫外-红外波段调谐，但其阻尼、散射与吸收特性随颗粒尺寸增大而增强。核壳结构、纳米棱柱、纳米立方体等特殊几何构型可进一步优化LSPR行为与场局域能力。研究人员通常采用FDTD、模态展开法、离散偶极近似（Discrete Dipole Approximation, DDA）及FEM等方法模拟纳米颗粒的电磁响应，当颗粒间距小于电磁衰减长度时，会产生新的耦合等离激元模式，共振频率主要由颗粒纵横比与材料组分决定。

2.1.3 电荷转移等离激元（CTP）

CTP产生于通过导电结连接的两个金属纳米颗粒之间，通过调节结区几何结构可控制其电导，进而改变共振能量与散射强度。其典型特征是存在流经结区的振荡电流，是光学频段电子传输（量子隧穿或经典导电通道）的直接证据。当两颗粒间形成导电连接时，电子密度振荡导致颗粒间电荷周期性转移，形成CTP模式，其共振能量低于杂化等离激元。CTP的带结构类似于周期介质中的声子，可分为声学模与光学模，通过调节纳米结电导可实现其在可见光-近红外波段的宽范围调谐。该模式在纳米链、金属纳米二聚体、纳米壳等结构中均被观测到，通过钯纳米颗粒、DNA连接体、自组装单分子层等材料可实现对结区电荷转移的主动调控。导电连接的等离激元纳米系统为研究光学频段电子传输提供了独特平台，在超快光电子器件、超高灵敏度传感器等领域具有重要应用前景。

1. 3.
   等离激元材料
   3.1 金属
   金属材料因高自由电子密度与电导率成为等离激元应用的首选。银在可见光波段具有最低的阻尼损耗，广泛应用于反常光学透射、负折射率材料、超透镜等领域，但易氧化降解、制备过程中稳定性差限制了其实际应用，连续银薄膜的阈值厚度通常为12-23 nm。金在近红外波段呈现负介电常数且具有优异化学稳定性，是LSPR传感器、SERS系统及等离激元波导的主流材料，可制备1.5-7 nm厚的超薄功能薄膜。铜作为低成本替代材料，其未氧化纳米颗粒可呈现非传统LSPR峰，但制备过程中的氧化问题亟待解决。铝因高等离子体频率适用于紫外等离激元器件，但与互补金属氧化物半导体工艺兼容，不过800 nm附近的带间电子跃迁导致其虚部介电常数较高，限制了可见光波段应用。钯、铂等金属凭借催化特性，在多功能等离激元催化器件中备受关注。镍被用于表面等离激元耦合化学发光传感器，钾、钠虽理论损耗低但因化学性质活泼难以实用。各类金属材料的光谱响应范围、优劣势及应用方向差异显著，材料选择需综合考量工作波长、光学损耗、稳定性及器件需求。

3.2 半导体

半导体材料因可调载流子浓度、成熟的制备工艺及灵活的物性调控能力，在近十年成为等离激元研究的热点。通过电学掺杂、光学激发、温度调控或化学修饰，可实现对半导体等离激元响应的主动控制，尤其在红外与太赫兹波段，其光学损耗低于传统金属材料。重掺杂硅、锗及III-V族化合物（如GaAs、InP）可在通信波段呈现金属性，宽禁带材料如碳化硅则通过声子共振支持等离激元模式。透明导电氧化物（Transparent Conducting Oxides, TCOs）如氧化铟锡（Indium Tin Oxide, ITO）、镓掺杂氧化锌（Gallium-Doped Zinc Oxide, GZO）、铝掺杂氧化锌（Aluminum-Doped Zinc Oxide, AZO）在 near红外波段表现出与贵金属可比的等离激元特性，且与现有半导体工艺完全兼容，是下一代光子与光电器件的理想候选材料。半导体等离激元的核心要求是兼具大带隙（抑制带间跃迁损耗）与高等离子体频率（确保负介电常数），其可调谐性为光学传感、调制器、自适应超材料及红外光子器件提供了广阔发展空间。

3.3 二维（2D）材料

二维等离激元学（或称“平面积子等离激元学”）因石墨烯的发现快速发展。石墨烯作为单层碳原子蜂窝晶格材料，具有原子级厚度、高载流子迁移率及独特的线性能带结构，其等离激元模式在太赫兹-中红外波段表现优异，且可通过化学掺杂、静电门控等手段动态调谐。尽管零带隙导致的带间跃迁损耗限制了其在可见光与通信波段的性能，但通过提高费米能级可有效抑制损耗。除石墨烯外，六方氮化硼、磷烯、氧化石墨烯、金属氧化物、MXenes等二维材料也展现出等离激元潜力，具有大比表面积、低悬挂键、自旋轨道耦合等特性。二维电子气（Two-Dimensional Electron Gas, 2DEG）系统在半导体异质结、氧化物界面处形成的自由电子 confinement层，同样支持高 confinement等离激元激发，其载流子浓度通常高于天然二维材料。二维材料的可调谐性、纳米尺度局域能力及与超材料结构的兼容性，使其成为替代传统贵金属等离激元平台的重要方向，尤其适用于柔性光子器件与集成光子回路。

3.4 等离激元材料品质因数

品质因数（Quality Factor, Q）是评估等离激元材料性能的核心指标，定义为Q=ω_p/γ，其中ω_p为等离子体频率，γ为阻尼速率，反映了能量局域能力与本征损耗的平衡关系。高Q值材料意味着低光学损耗与长等离激元寿命，适用于传感、波导及纳米光子集成。银因最低阻尼速率（γ≈0.02）表现出最高Q值（460），是可见光-近红外波段的理想材料；金虽Q值（127）略低，但化学稳定性与生物相容性更优；铝的高等离子体频率（ω_p≈12.7）适合紫外应用，但阻尼较大（γ≈0.13）；铜的等离激元性能与金接近但成本更低，氧化问题仍是主要瓶颈；ITO、AZO等TCOs的Q值较低（12-40），但可调谐性与工艺兼容性突出；InGaAs等半导体在中红外波段具有中等Q值（57）与低损耗优势。材料选择需在场局域能力、光学损耗、稳定性与制备可行性之间进行权衡，取决于具体应用的工作波长与性能需求。

1. 4.
   超材料中的等离激元波
   4.1 超材料
   超材料是通过人工设计的亚波长结构单元获得天然材料不具备电磁特性的新型材料，又称“左手材料”。按物理域可分为电磁超材料、力学超材料、热学超材料及声学超材料：声学超材料具有各向异性质量、负密度与负模量，用于声波调控；力学超材料呈现负泊松比、负弹性模量等特性；热学超材料实现热隐身、热集中等先进热管理功能。电磁超材料通过调控介电常数ε与磁导率μ的空间分布，实现对电磁波传播的精准控制，是等离激元波调控的核心载体。根据其电磁参数符号组合，电磁超材料可分为双正（DPS，ε>0, μ>0）、单负（SNG，ε<0或μ<0，含ε负ENM与μ负MNM）及双负（DNG，ε<0, μ<0）介质，其中DNG介质支持反向波传播与负折射率，为等离激元波的新型调控机制提供了物理基础。

4.2 等离激元超材料

天然SPPs仅存在于光学波段，而在微波-红外等低频段，金属表现为理想电导体，无法支持SPPs。为解决这一限制，研究人员提出了人工设计的“ spoof表面等离激元极化激元（Spoof SPPs, SSPPs）”结构，通过周期性波纹金属表面模拟天然SPPs的行为。2004年John Pendry团队首次提出基于亚波长方孔阵列的SSPPs结构，后续发展出的一维/二维孔阵、裂片、块状及介质基板印刷金属条带等构型，在微波与太赫兹波段实现了类SPPs的强场局域与亚波长传播特性。SSPPs的截止频率与色散特性可通过几何参数灵活调控，其中共形表面等离激元因低损耗、宽带宽与机械柔性成为研究热点。SSPPs已在无线体域网（Wireless Body Area Network, WBAN）、传感、滤波、传输线、天线及微波器件等领域展现出应用价值，例如基于SSPPs的传输线可实现40 GHz工作带宽与低插入损耗，传感器件通过机器学习算法可实现12种常见液体的100%识别准确率，柔性纺织基SSPPs天线兼具低比吸收率（Specific Absorption Rate, SAR）与机械鲁棒性。SSPPs突破了天然SPPs的频率限制，为下一代微波、太赫兹及可穿戴等离激元器件提供了关键技术支撑。

1. 5.
   人工智能的作用
   人工智能（Artificial Intelligence, AI）显著提升了等离激元与超材料的设计效率，降低了研发成本。传统设计依赖试错法，面临几何结构、光学性能与材料组分的复杂耦合难题，而机器学习（ML）与深度学习（DL）通过数据驱动方法可从海量数据集预测最优材料组分与几何构型，大幅缩短设计周期。研究人员采用串联架构结合正向建模与逆向设计，解决了光子结构逆向设计的非唯一性问题，例如基于四层神经网络的模型通过75万样本训练，实现了复杂光子结构的高效优化。针对表面等离激元共振超材料，研究人员构建了正向-逆向深度神经网络框架，正向模型根据结构参数预测电磁响应，逆向模型根据目标共振响应优化几何参数，结合计算机仿真技术（CST）微波工作室的全波仿真数据与自适应矩估计（ADAM）优化器，将测试均方误差从0.00087降至0.00080，显著降低了计算成本。机器学习还提升了等离激元生物传感器与成像系统的信号处理与图像分析能力，通过识别纳米结构与光学响应的非线性关系，实现高灵敏度实时检测。此外，AI与传统计算方法（如密度泛函理论DFT、时域密度泛函理论TDDFT、FDTD）的结合，确保了仿真结果的高置信度，并支持生成式建模、强化学习与自主实验等新型研发范式。基于SSPPs的太赫兹等离激元神经网络（THz-SPNN）通过反向传播算法实现了250-280 GHz频段的手写数字分类，准确率达99.9%；卷积神经网络（Convolutional Neural Network, CNN）结合严格耦合波分析（Rigorous Coupled Wave Analysis, RCWA）与遗传算法（Genetic Algorithm, GA），将太赫兹SSPPs器件的设计效率提升了一个数量级。AI与超材料的融合催生了智能超材料新范式，实现了材料系统的自主学习、自适应调控与实时计算功能，在能源安全、环境适配与节能领域展现出巨大潜力。
2. 6.
   应用
   6.1 医疗技术
   等离激元技术在医疗诊断、成像与治疗领域应用广泛。表面等离激元共振（SPR）生物传感器凭借高灵敏度、快速响应与无标记检测特性，被用于阿尔茨海默症生物标志物识别、癌症早期诊断及药物开发，通过监测反射光角度或强度的偏移实现生物分子吸附的实时检测。局域表面等离激元共振（LSPR）传感器基于纳米颗粒阵列的共振位移效应，在复杂生物流体（血液、唾液、尿液）中表现出优异的抗干扰能力。光热疗法（Plasmonic Photothermal Therapy, PPTT）利用等离激元纳米颗粒的非辐射弛豫产热效应，实现肿瘤细胞的局部热消融，纳米壳、纳米棒等结构可优化光热转换效率。表面增强拉曼散射（SERS）通过LSPR产生的强局域场将拉曼信号增强数个量级，实现单分子检测，结合Kretschmann构型的SPR技术与拉曼显微镜可获得协同增强效果。此外，等离激元散射显微镜（Plasmonic Scattering Microscopy, PSM）克服了传统SPR显微镜的背景反射限制，实现了单蛋白质等微小分析物的可视化检测，为精准医疗提供了强有力的技术工具。

6.2 能量节约

等离激元技术在光伏发电与光催化领域显著提升能量转换效率。在太阳能电池中，LSPR通过近场增强与光散射效应延长光程，提升活性层对太阳光谱的吸收。表面等离激元光栅、散射纳米颗粒及嵌入活性层的纳米结构等构型，可通过调节尺寸、形貌与分布优化光捕获能力。等离激元肖特利太阳能电池结合了纳米颗粒的光学优势与肖特基结的载流子传输特性，通过多物理场仿真优化了光电热综合性能。在光催化领域，LSPR诱导的局域场增强、热电子注入及共振能量转移等机制，显著提升了量子产率并拓宽了光吸收范围，在污染物降解、水分解制氢、CO₂还原等环境修复与能源转化反应中表现出高效催化活性。金属-半导体复合结构通过调控散射-吸收比与近场耦合效率，进一步强化了光生载流子的分离与传输过程。

6.3 通信领域

等离激元通信技术旨在开发基于等离激元波的紧凑型高速数据传输器件，涵盖波导、开关、谐振腔、探测器、复用器等核心组件。表面等离激元极化激元（SPPs）因其亚波长 confinement特性，成为片上光互连的理想载体。等离激元波导通过金属-绝缘体-金属（Metal-Insulator-Metal, MIM）结构、混合波导及纳米颗粒链等构型，实现深亚波长尺度的光场约束与低串扰传输，支持6G通信技术中的高密度光子集成电路集成。无线体域网（WBAN）中， spoof表面等离激元（SSPPs）通过柔性纺织基超材料实现体表电磁信号的近场传输，避免了传统无线通信的辐射损耗与信息安全风险，为可穿戴健康监测设备提供了低功耗、高安全性的通信解决方案。可见，等离激元技术为未来智慧城市中的机器类通信与高速光无线网络奠定了基础。

6.4 国防技术

等离激元波在军事隐身、探测与通信领域具有重要应用价值。基于等离激元纳米结构的完美吸收体可实现可见光-太赫兹波段的宽带吸收率调控，结合基尔霍夫热辐射定律，通过调节表面发射率实现红外隐身。模块化超材料结构可自适应切换工作模式，例如在吸收敌方太赫兹雷达波的同时保留友好通信窗口，或在宽带吸收基础上实现窄带反射以支持友军协同。仿生皮肤状超材料通过金纳米颗粒的中空柱结构，同时实现可见光波段的LSPR伪装与红外波段的多散射隐身，使人体在可见光与红外成像中均难以被识别。此外，等离激元纳米传感器凭借高灵敏度、无标记检测与便携性优势，可实时识别生化战剂与爆炸物，为战场威胁预警与国土安全提供技术保障。

1. 7.
   结论
   等离激元学与超材料工程的融合，通过理论物理与先进计算模拟的结合，实现了纳米尺度多功能器件的精准设计。尽管本征能量损耗、动态调谐局限与规模化制备仍是当前挑战，但超材料的定制化电磁响应为突破传统材料限制提供了新途径。本文系统综述了等离激元材料体系、超材料波调控方法及AI辅助优化策略，通过对比材料特性与性能指标，为领域发展提供了全面参考。石墨烯、钙钛矿等新型材料与AI实时自适应设计的结合，正推动等离激元-超材料器件向更高鲁棒性、效率与响应速度发展，有望在可穿戴光子学、安全通信、医疗诊断与能量收集等领域引发技术变革。随着经典光学、纳米光子学与智能系统的交叉融合，等离激元技术将重新定义光与物质的相互作用方式，深刻影响未来光电子技术发展格局。
2. 8.
   未来展望
   AI赋能的材料研发将加速定制化多功能电磁响应结构的创制，通过智能优化算法探索复杂设计空间，进一步提升等离激元器件的效率与适应性。未来研究需聚焦于低损耗等离激元材料开发与动态可调器件研制，推动等离激元系统在传感、通信、隐身等领域的自适应应用。等离激元通信技术的进步有望实现更安全、高速的无线与光网络；先进传感与成像平台将助力医疗设备的精准化与实时化发展；智能等离激元结构可能为超低功耗高速光子计算提供新方案，突破传统电子器件的速度与能耗瓶颈。跨学科的深度交叉将持续拓展等离激元技术的应用边界，推动其在更多战略领域发挥关键作用。