Поверхностный плазмон

Поверхностные плазмоны ( ПП ) — это когерентные делокализованные электронные колебания, которые существуют на границе раздела между любыми двумя материалами, где действительная часть диэлектрической функции меняет знак на границе раздела (например, граница раздела металл-диэлектрик, например, металлический лист в воздухе). SP имеют более низкую энергию, чем объемные (или объемные) плазмоны , которые квантуют продольные колебания электронов вокруг остовов положительных ионов в объеме электронного газа (или плазмы).

Движение заряда в поверхностном плазмоне всегда создает электромагнитные поля как снаружи, так и внутри металла. возбуждение Полное , включая как движение заряда, так и связанное с ним электромагнитное поле, называется либо поверхностным плазмон-поляритоном на плоской границе раздела, либо локализованным поверхностным плазмоном для замкнутой поверхности небольшой частицы.

Существование поверхностных плазмонов было впервые предсказано в 1957 году Руфусом Ритчи. ^{[ 1 ]} В последующие два десятилетия поверхностные плазмоны интенсивно изучались многими учёными, среди которых ведущими были Т. Турбадар в 1950-х и 1960-х годах, Э. Н. Эконому , Хайнц Ретер , Э. Кречманн и А. Отто в 1960-х и 1970-х годах. Передача информации в наноразмерных структурах, аналогичная фотонике , посредством поверхностных плазмонов, называется плазмоникой . ^{[ 2 ]}

Поверхностные плазмонные поляритоны

Возбуждение

Поверхностные плазмон-поляритоны могут возбуждаться электронами ^{[ 3 ]} или фотоны. В случае с фотонами это невозможно сделать напрямую, а нужна призма, или решетка, или дефект на поверхности металла. ^{[ 4 ]}

Дисперсионное соотношение

На низкой частоте ППП приближается к волне Зоммерфельда-Ценнека , где дисперсионный закон (соотношение между частотой и волновым вектором) такой же, как и в свободном пространстве. На более высокой частоте дисперсионное уравнение изгибается и достигает асимптотического предела, называемого « плазменной частотой ». ^{[ 4 ]} (см. рисунок справа). ^{[ а ]} Подробнее см. Поверхностный плазмон-поляритон .

Длина распространения и глубина скин-слоя

По мере распространения ППП вдоль поверхности он теряет энергию металлу за счет поглощения. Он также может терять энергию из-за рассеяния в свободное пространство или в других направлениях. Электрическое поле постепенно спадает перпендикулярно металлической поверхности. На низких частотах глубину проникновения ППП в металл обычно аппроксимируют формулой глубины скин-слоя . В диэлектрике поле будет спадать гораздо медленнее. СПП очень чувствительны к небольшим возмущениям в глубине скин-слоя, поэтому их часто используют для исследования неоднородностей поверхности. ^{[ 4 ]} Подробнее см. Поверхностный плазмон-поляритон .

Локализованные поверхностные плазмоны

Локализованные поверхностные плазмоны возникают в небольших металлических объектах, включая наночастицы. Поскольку трансляционная инвариантность системы теряется, описание в терминах волнового вектора , как в СПП, провести невозможно. Кроме того, в отличие от непрерывного закона дисперсии в СПП, электромагнитные моды частицы дискретизированы. ^{[ 7 ]}

LSP могут возбуждаться непосредственно падающими волнами; эффективное взаимодействие с модами LSP соответствует резонансам и может быть объяснено поглощением и рассеянием с увеличением усиления локального поля. ^{[ 7 ]} Резонансы ЛСП во многом зависят от формы частицы; сферические частицы могут быть изучены аналитически с помощью теории Ми . ^{[ 4 ]}^{[ 7 ]}

Экспериментальные приложения

Возбуждение поверхностных плазмонов часто используется в экспериментальном методе, известном как поверхностный плазмонный резонанс (ППР). В ППР максимальное возбуждение поверхностных плазмонов обнаруживается путем мониторинга отраженной мощности от призматического соединителя в зависимости от угла падения или длины волны . Этот метод можно использовать для наблюдения нанометровых изменений толщины, флуктуаций плотности или молекулярного поглощения. Недавние работы также показали, что ППР 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 по размеру фотонных схем для использования в высокопроизводительных наноустройствах обработки данных. ^{[ 10 ]}

Способность динамически управлять плазмонными свойствами материалов в этих наноустройствах является ключом к их развитию. Недавно был продемонстрирован новый подход, использующий плазмон-плазмонные взаимодействия. Здесь объемный плазмонный резонанс вызывается или подавляется, чтобы управлять распространением света. ^{[ 11 ]} Было показано, что этот подход имеет высокий потенциал для наномасштабной манипуляции светом и разработки полностью КМОП -совместимого электрооптического плазмонного модулятора, который, как говорят, станет будущим ключевым компонентом фотонных схем в масштабе чипа. ^{[ 12 ]}

Некоторые другие поверхностные эффекты, такие как поверхностно-усиленное комбинационное рассеяние и поверхностно-усиленная флуоресценция, индуцируются поверхностными плазмонами благородных металлов , поэтому были разработаны датчики на основе поверхностных плазмонов. ^{[ 13 ]}

При поверхностной генерации второй гармоники сигнал второй гармоники пропорционален квадрату электрического поля. Электрическое поле на границе раздела сильнее из-за поверхностного плазмона, что приводит к нелинейному оптическому эффекту . Этот больший сигнал часто используется для создания более сильного сигнала второй гармоники. ^{[ 14 ]}

На длину волны и интенсивность пиков поглощения и излучения, связанных с плазмоном, влияет молекулярная адсорбция, которую можно использовать в молекулярных сенсорах. Например, полностью работоспособный прототип устройства для обнаружения казеина был изготовлен в молоке. Устройство основано на мониторинге изменений плазмонного поглощения света слоем золота. ^{[ 15 ]}

См. также

Примечания

^ Это уравнение дисперсии без потерь не учитывает влияние факторов затухания , таких как собственные потери в металлах. В случаях с потерями дисперсионная кривая прогибается назад после достижения частоты поверхностного плазмона вместо асимптотического увеличения. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}

Ссылки

^ Ричи, Р.Х. (июнь 1957 г.). «Потери плазмы быстрыми электронами в тонких пленках». Физический обзор . 106 (5): 874–881. Бибкод : 1957PhRv..106..874R . дои : 10.1103/PhysRev.106.874 .
^ Полман, Альберт; Гарри А. Этуотер (2005). «Плазмоника: оптика наномасштаба» (PDF) . Материалы сегодня . 8:56 . дои : 10.1016/S1369-7021(04)00685-6 . Проверено 26 января 2011 г.
^ Башевой, М.В.; Йонссон, Ф.; Красавин А.В.; Желудев Н.И.; Чэнь Ю.; Стокман М.И. (2006). «Генерация бегущих поверхностных плазмонных волн ударом свободных электронов». Нано-буквы . 6 : 1113. arXiv : физика/0604227 . дои : 10.1021/nl060941v .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Марадудин Алексей Александрович; Сэмблс, Дж. Рой; Барнс, Уильям Л., ред. (2014). Современная плазмоника . Амстердам: Эльзевир . п. 1–23. ISBN 9780444595263 .
^ Аракава, ET; Уильямс, штат Вашингтон; Хамм, Р.Н.; Ричи, Р.Х. (29 октября 1973 г.). «Влияние затухания на дисперсию поверхностного плазмона». Письма о физических отзывах . 31 (18): 1127–1129. дои : 10.1103/PhysRevLett.31.1127 .
^ Майер, Стефан А. (2007). Плазмоника: основы и приложения . Нью-Йорк: Издательство Springer . ISBN 978-0-387-33150-8 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Ле Ру, Эрик С.; Этчегоин, Пабло Г. (2009). Принципы поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии . Амстердам: Эльзевир . п. 174 –179. ISBN 978-0-444-52779-0 .
^ Таверн, С.; Кэрон, Б.; Жетен, С.; Лартиг, О.; Лопес, К.; Менье-Делла-Гатта, С.; Горж, В.; Реймермье, М.; Расин, Б.; Мейндрон, Т.; Кенель, Э. (12 января 2018 г.). «Многоспектральный подход к поверхностному плазмонному резонансу для определения характеристик ультратонких слоев серебра: применение к катоду OLED с верхней эмиссией». Журнал прикладной физики . 123 (2): 023108. Бибкод : 2018JAP...123b3108T . дои : 10.1063/1.5003869 . ISSN 0021-8979 .
^ Сальви, Жером; Баркьези, Доминик (01 апреля 2014 г.). «Измерение толщины и оптических свойств тонких пленок методом поверхностного плазмонного резонанса (ППР)». Прикладная физика А. 115 (1): 245–255. Бибкод : 2014ApPhA.115..245S . дои : 10.1007/s00339-013-8038-z . ISSN 1432-0630 .
^ Озбай, Э. (2006). «Плазмоника: объединение фотоники и электроники в наноразмерах». Наука . 311 (5758): 189–93. Бибкод : 2006Sci...311..189O . дои : 10.1126/science.1114849 . hdl : 11693/38263 . ПМИД 16410515 .
^ Акимов Ю А; Чу, HS (2012). «Плазмон-плазмонное взаимодействие: управление светом на наноуровне». Нанотехнологии . 23 (44): 444004. doi : 10.1088/0957-4484/23/44/444004 . ПМИД 23080049 .
^ Вэньшань Цай; Джастин С. Уайт и Марк Л. Бронгерсма (2009). «Компактные, высокоскоростные и энергоэффективные электрооптические плазмонные модуляторы». Нано-буквы . 9 (12): 4403–11. Бибкод : 2009NanoL...9.4403C . дои : 10.1021/nl902701b . ПМИД 19827771 .
^ Сюй, Жида; Чен, Йи; Гартиа, Манас; Цзян, Цзин; Лю, Логан (2011). «Широкополосная спектрофотометрия с усилением поверхностных плазмонов на подложках из черного серебра». Письма по прикладной физике . 98 (24): 241904. arXiv : 1402.1730 . Бибкод : 2011ApPhL..98x1904X . дои : 10.1063/1.3599551 .
^ В.К. Валев (2012). «Характеристика наноструктурированных плазмонных поверхностей с генерацией второй гармоники». Ленгмюр . 28 (44): 15454–15471. дои : 10.1021/la302485c . ПМИД 22889193 .
^ Минь Хиеп, Ха; Эндо, Тацуро; Керман, Каган; Чикаэ, Миюки; Ким, До-Гюн; Ямамура, Сёхей; Такамура, Юзуру; Тамия, Эйичи (2007). «Иммуносенсор на основе локализованного поверхностного плазмонного резонанса для обнаружения казеина в молоке» . Наука и технология перспективных материалов . 8 (4): 331. Бибкод : 2007STAdM...8..331M . дои : 10.1016/j.stam.2006.12.010 .

[7] Это уравнение дисперсии без потерь не учитывает влияние факторов затухания , таких как собственные потери в металлах. В случаях с потерями дисперсионная кривая прогибается назад после достижения частоты поверхностного плазмона вместо асимптотического увеличения. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}

[ritchie-plasma-losses-1] Ричи, Р.Х. (июнь 1957 г.). «Потери плазмы быстрыми электронами в тонких пленках». Физический обзор . 106 (5): 874–881. Бибкод : 1957PhRv..106..874R . дои : 10.1103/PhysRev.106.874 .

[atwater-plasmonics-2] Полман, Альберт; Гарри А. Этуотер (2005). «Плазмоника: оптика наномасштаба» (PDF) . Материалы сегодня . 8:56 . дои : 10.1016/S1369-7021(04)00685-6 . Проверено 26 января 2011 г.

[3] Башевой, М.В.; Йонссон, Ф.; Красавин А.В.; Желудев Н.И.; Чэнь Ю.; Стокман М.И. (2006). «Генерация бегущих поверхностных плазмонных волн ударом свободных электронов». Нано-буквы . 6 : 1113. arXiv : физика/0604227 . дои : 10.1021/nl060941v .

[modern-plasm-4] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Марадудин Алексей Александрович; Сэмблс, Дж. Рой; Барнс, Уильям Л., ред. (2014). Современная плазмоника . Амстердам: Эльзевир . п. 1–23. ISBN 9780444595263 .

[damping-sp-5] Аракава, ET; Уильямс, штат Вашингтон; Хамм, Р.Н.; Ричи, Р.Х. (29 октября 1973 г.). «Влияние затухания на дисперсию поверхностного плазмона». Письма о физических отзывах . 31 (18): 1127–1129. дои : 10.1103/PhysRevLett.31.1127 .

[maier-plasmonics-book-6] Майер, Стефан А. (2007). Плазмоника: основы и приложения . Нью-Йорк: Издательство Springer . ISBN 978-0-387-33150-8 .

[sers-book-8] Jump up to: ^а ^б ^с Ле Ру, Эрик С.; Этчегоин, Пабло Г. (2009). Принципы поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии . Амстердам: Эльзевир . п. 174 –179. ISBN 978-0-444-52779-0 .

[multi-spectral-9] Таверн, С.; Кэрон, Б.; Жетен, С.; Лартиг, О.; Лопес, К.; Менье-Делла-Гатта, С.; Горж, В.; Реймермье, М.; Расин, Б.; Мейндрон, Т.; Кенель, Э. (12 января 2018 г.). «Многоспектральный подход к поверхностному плазмонному резонансу для определения характеристик ультратонких слоев серебра: применение к катоду OLED с верхней эмиссией». Журнал прикладной физики . 123 (2): 023108. Бибкод : 2018JAP...123b3108T . дои : 10.1063/1.5003869 . ISSN 0021-8979 .

[thin-film-measurement-10] Сальви, Жером; Баркьези, Доминик (01 апреля 2014 г.). «Измерение толщины и оптических свойств тонких пленок методом поверхностного плазмонного резонанса (ППР)». Прикладная физика А. 115 (1): 245–255. Бибкод : 2014ApPhA.115..245S . дои : 10.1007/s00339-013-8038-z . ISSN 1432-0630 .

[ozbay-plasmonics-11] Озбай, Э. (2006). «Плазмоника: объединение фотоники и электроники в наноразмерах». Наука . 311 (5758): 189–93. Бибкод : 2006Sci...311..189O . дои : 10.1126/science.1114849 . hdl : 11693/38263 . ПМИД 16410515 .

[plasmon-plasmon-12] Акимов Ю А; Чу, HS (2012). «Плазмон-плазмонное взаимодействие: управление светом на наноуровне». Нанотехнологии . 23 (44): 444004. doi : 10.1088/0957-4484/23/44/444004 . ПМИД 23080049 .

[plasmonic-modulator-13] Вэньшань Цай; Джастин С. Уайт и Марк Л. Бронгерсма (2009). «Компактные, высокоскоростные и энергоэффективные электрооптические плазмонные модуляторы». Нано-буквы . 9 (12): 4403–11. Бибкод : 2009NanoL...9.4403C . дои : 10.1021/nl902701b . ПМИД 19827771 .

[plasmon-spectrophotometry-14] Сюй, Жида; Чен, Йи; Гартиа, Манас; Цзян, Цзин; Лю, Логан (2011). «Широкополосная спектрофотометрия с усилением поверхностных плазмонов на подложках из черного серебра». Письма по прикладной физике . 98 (24): 241904. arXiv : 1402.1730 . Бибкод : 2011ApPhL..98x1904X . дои : 10.1063/1.3599551 .

[plasmon-shg-15] В.К. Валев (2012). «Характеристика наноструктурированных плазмонных поверхностей с генерацией второй гармоники». Ленгмюр . 28 (44): 15454–15471. дои : 10.1021/la302485c . ПМИД 22889193 .

[lsp-immunosensor-16] Минь Хиеп, Ха; Эндо, Тацуро; Керман, Каган; Чикаэ, Миюки; Ким, До-Гюн; Ямамура, Сёхей; Такамура, Юзуру; Тамия, Эйичи (2007). «Иммуносенсор на основе локализованного поверхностного плазмонного резонанса для обнаружения казеина в молоке» . Наука и технология перспективных материалов . 8 (4): 331. Бибкод : 2007STAdM...8..331M . дои : 10.1016/j.stam.2006.12.010 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ а ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 5 ]

[ 6 ]