Поверхностные плазмоны ( SP ) - это когерентные делокализованные электронные колебания, которые существуют на границе раздела между любыми двумя материалами, где реальная часть диэлектрической функции меняет знак на границе раздела (например, граница раздела металл-диэлектрик, такая как металлический лист в воздухе). SP имеют более низкую энергию, чем объемные (или объемные) плазмоны, которые квантуют продольные колебания электронов вокруг положительных ионных остовов в объеме электронного газа (или плазмы).
Движение заряда в поверхностном плазмоне всегда создает электромагнитные поля вне (а также внутри) металла. Общее возбуждение, включая как движение заряда и связанного с электромагнитным полем, называется либо поверхностного плазмонного поляритонная на плоской границе, или локализованы поверхностного плазмонного для замкнутой поверхности малой частицы.
Существование поверхностных плазмонов было впервые предсказано в 1957 году Руфусом Ричи. [1] В последующие два десятилетия поверхностные плазмоны широко изучались многими учеными, ведущими из которых были Т. Турбадар в 1950-х и 1960-х годах, а также Э. Н. Эконому , Хайнц Ретер , Э. Кречманн и А. Отто в 1960-х. и 1970-е годы. Передача информации в наноразмерных структурах, аналогичных фотонике , с помощью поверхностных плазмонов называется плазмоникой . [2]
Поверхностные плазмонные поляритоны [ править ]
Возбуждение [ править ]
Поверхностные плазмонные поляритоны могут возбуждаться электронами [3] или фотонами. В случае фотонов это невозможно сделать напрямую, но требуется призма, или решетка, или дефект на поверхности металла. [4]
Отношение дисперсии [ править ]
На низкой частоте SPP приближается к волне Зоммерфельда-Ценнека , где дисперсионное соотношение (соотношение между частотой и волновым вектором) такое же, как и в свободном пространстве. На более высокой частоте дисперсионное соотношение изгибается и достигает асимптотического предела, называемого « плазменной частотой » [4] (см. Рисунок справа). [a] Подробнее см. поверхностный плазмон-поляритон .
Длина распространения и глубина кожи [ править ]
Когда SPP распространяется по поверхности, он теряет энергию в металле из-за поглощения. Он также может терять энергию из-за рассеяния в свободное пространство или в других направлениях. Электрическое поле быстро спадает перпендикулярно поверхности металла. На низких частотах глубина проникновения SPP в металл обычно аппроксимируется формулой глубины скин-слоя . В диэлектрике поле спадает гораздо медленнее. SPP очень чувствительны к незначительным возмущениям в глубине скин-слоя, и по этой причине SPP часто используются для исследования неоднородностей поверхности. [4] Подробнее см. Поверхностный плазмонный поляритон .
Локализованные поверхностные плазмоны [ править ]
| Физика конденсированного состояния |
|---|
| Фазы · Фазовый переход · QCP |
Локальные поверхностные плазмоны возникают в небольших металлических объектах, в том числе в наночастицах. Поскольку трансляционная инвариантность системы теряется, описание в терминах волнового вектора , как в SPP, не может быть выполнено. Также, в отличие от непрерывного дисперсионного соотношения в SPP, электромагнитные моды частицы дискретизируются. [7]
LSP могут возбуждаться непосредственно падающими волнами; эффективная связь с модами LSP соответствует резонансам и может быть объяснена поглощением и рассеянием с повышенным усилением локального поля. [7] Резонансы LSP во многом зависят от формы частицы; сферические частицы могут быть изучены аналитически с помощью теории Ми . [4] [7]
Экспериментальные приложения [ править ]
Возбуждение поверхностных плазмонов часто используется в экспериментальной технике, известной как поверхностный плазмонный резонанс (SPR). В SPR максимальное возбуждение поверхностных плазмонов обнаруживается путем отслеживания отраженной мощности призменного элемента связи в зависимости от угла падения или длины волны . Этот метод можно использовать для наблюдения за нанометровыми изменениями толщины, флуктуациями плотности или молекулярным поглощением. Недавние работы также показали, что SPR можно использовать для измерения оптических показателей многослойных систем, где эллипсометрия не дала результата. [8] [9]
Схемы на основе поверхностных плазмонов были предложены как средство преодоления ограничений размеров фотонных схем для использования в высокопроизводительных наноустройствах обработки данных. [10]
Возможность динамического управления плазмонными свойствами материалов в этих наноустройствах является ключом к их развитию. Недавно был продемонстрирован новый подход, использующий плазмон-плазмонное взаимодействие. Здесь объемный плазмонный резонанс индуцируется или подавляется, чтобы управлять распространением света. [11] Было показано, что этот подход имеет высокий потенциал для манипулирования светом в нанометровом масштабе и разработки полностью совместимого с КМОП электрооптического плазмонного модулятора, который, как говорят, станет ключевым компонентом фотонных схем на уровне кристалла в будущем. [12]
Некоторые другие поверхностные эффекты, такие как комбинационное рассеяние света с усилением поверхности и флуоресценция с усилением поверхности , вызваны поверхностным плазмоном благородных металлов , поэтому были разработаны сенсоры на основе поверхностных плазмонов. [13]
При генерации второй поверхностной гармоники сигнал второй гармоники пропорционален квадрату электрического поля. Электрическое поле сильнее на границе раздела из-за поверхностного плазмона, приводящего к нелинейному оптическому эффекту . Этот более сильный сигнал часто используется для создания более сильного сигнала второй гармоники. [14]
На длину волны и интенсивность пиков поглощения и излучения, связанных с плазмонами, влияет молекулярная адсорбция, которая может использоваться в молекулярных сенсорах. Например, изготовлен полностью работоспособный прототип устройства для обнаружения казеина в молоке. Устройство основано на мониторинге изменений в плазмонном поглощении света золотым слоем. [15]
См. Также [ править ]
- Биосенсор
- Двухполяризационная интерферометрия
- Исключительная оптическая передача
- Модель свободных электронов
- Плазмон поверхности зазора
- Список статей по плазме (физике)
- Многопараметрический поверхностный плазмонный резонанс
- Плазменные колебания
- Плазмонная линза
- Плазмоника (журнал)
- Спинплазмоника
- Микроскопия поверхностного плазмонного резонанса
- Волны в плазме
Заметки [ править ]
- ^ Это дисперсионное соотношение без потерь не учитывает влияниефакторов демпфирования , таких как собственные потери в металлах. Для случаев с потерями дисперсионная кривая изгибается назад после достижения частоты поверхностного плазмона вместо асимптотического увеличения. [5] [6]
Ссылки [ править ]
- Перейти ↑ Ritchie, RH (июнь 1957 г.). «Плазменные потери быстрых электронов в тонких пленках». Физический обзор . 106 (5): 874–881. Bibcode : 1957PhRv..106..874R . DOI : 10.1103 / PhysRev.106.874 .
- ^ Полман, Альберт; Гарри А. Этуотер (2005). «Плазмоника: оптика в наномасштабе» (PDF) . Материалы сегодня . 8 : 56. DOI : 10.1016 / S1369-7021 (04) 00685-6 . Проверено 26 января 2011 года .
- ^ Башевой, М. В.; Jonsson, F .; Красавин, А.В.; Желудев Н.И. Chen Y .; Стокман М.И. (2006). «Генерация бегущих поверхностных плазмонных волн ударом свободных электронов». Нано-буквы . 6 : 1113. arXiv : Physics / 0604227 . DOI : 10.1021 / nl060941v .
- ^ a b c d Марадудин, Алексей А .; Сэмблс, Дж. Рой; Барнс, Уильям Л., ред. (2014). Современная плазмоника . Амстердам: Эльзевир . п. 1–23. ISBN 9780444595263.
- ^ Аракава, ET; Уильямс, MW; Hamm, RN; Ричи, Р.Х. (29 октября 1973 г.). «Влияние демпфирования на дисперсию поверхностного плазмона». Письма с физическим обзором . 31 (18): 1127–1129. DOI : 10.1103 / PhysRevLett.31.1127 .
- ^ Майер, Стефан А. (2007). Плазмоника: основы и приложения . Нью-Йорк: Издательство Springer . ISBN 978-0-387-33150-8.
- ^ a b c Ле Ру, Эрик К .; Etchegoin, Пабло Г. (2009). Принципы поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии . Амстердам: Эльзевир . п. 174 –179. ISBN 978-0-444-52779-0.
- ^ Taverne, S .; Caron, B .; Gétin, S .; Lartigue, O .; Lopez, C .; Meunier-Della-Gatta, S .; Ущелье, В .; Reymermier, M .; Racine, B .; Maindron, T .; Кеснель, Э. (12 января 2018 г.). «Метод мультиспектрального поверхностного плазмонного резонанса для определения характеристик ультратонких слоев серебра: применение к катоду OLED с верхним излучением». Журнал прикладной физики . 123 (2): 023108. Bibcode : 2018JAP ... 123b3108T . DOI : 10.1063 / 1.5003869 . ISSN 0021-8979 .
- ^ Сальви, Жером; Барчези, Доминик (01.04.2014). «Измерение толщины и оптических свойств тонких пленок методом поверхностного плазмонного резонанса (ППР)». Прикладная физика . 115 (1): 245–255. Bibcode : 2014ApPhA.115..245S . DOI : 10.1007 / s00339-013-8038-Z . ISSN 1432-0630 .
- ^ Ozbay, E. (2006). «Плазмоника: слияние фотоники и электроники в наномасштабах». Наука . 311 (5758): 189–93. Bibcode : 2006Sci ... 311..189O . DOI : 10.1126 / science.1114849 . ЛВП : 11693/38263 . PMID 16410515 .
- ↑ Акимов Ю.А. Чу, HS (2012). «Плазмон-плазмонное взаимодействие: управление светом в наномасштабе». Нанотехнологии . 23 (44): 444004. DOI : 10,1088 / 0957-4484 / 23/44/444004 . PMID 23080049 .
- ^ Вэньшань Цай; Джастин С. Уайт и Марк Л. Бронгерсма (2009). «Компактные, быстродействующие и энергоэффективные электрооптические плазмонные модуляторы». Нано-буквы . 9 (12): 4403–11. Bibcode : 2009NanoL ... 9.4403C . DOI : 10.1021 / nl902701b . PMID 19827771 .
- ^ Сюй, Чжида; Чен, Йи; Гартия, Манас; Цзян, Цзин; Лю, Логан (2011). «Широкополосная спектрофотометрия с усилением поверхностного плазмона на черных серебряных подложках». Письма по прикладной физике . 98 (24): 241904. arXiv : 1402.1730 . Bibcode : 2011ApPhL..98x1904X . DOI : 10.1063 / 1.3599551 .
- ^ VK Valev (2012). «Характеристика наноструктурированных плазмонных поверхностей с генерацией второй гармоники». Ленгмюра . 28 (44): 15454–15471. DOI : 10.1021 / la302485c . PMID 22889193 .
- ^ Минь Хип, Ха; Эндо, Тацуро; Керман, Каган; Чикаэ, Миюки; Ким, До-Гюн; Ямамура, Шохей; Такамура, Юдзуру; Тамия, Эйити (2007). «Иммуносенсор на основе локального поверхностного плазмонного резонанса для обнаружения казеина в молоке» . Наука и технология перспективных материалов . 8 (4): 331. Bibcode : 2007STAdM ... 8..331M . DOI : 10.1016 / j.stam.2006.12.010 .
