Поверхностный плазмон - Surface plasmon

Схематическое изображение волны электронной плотности, распространяющейся по металлу.диэлектрик интерфейс. Колебания плотности заряда и связанные с ними электромагнитные поля называются поверхностный плазмон-поляритон волны. Справа показана экспоненциальная зависимость напряженности электромагнитного поля от расстояния до границы раздела. Эти волны можно очень эффективно возбуждать светом в видимом диапазоне электромагнитного спектра.

Поверхностные плазмоны (SP) согласованы делокализованный электрон колебания, которые существуют на границе раздела между любыми двумя материалами, где реальная часть диэлектрическая функция меняет знак на границе раздела (например, интерфейс металл-диэлектрик, например металлический лист в воздухе). SP имеют меньшую энергию, чем объем (или объем) плазмоны которые квантуют продольные колебания электронов вокруг положительных ионных остовов в объеме электронный газ (или плазменный).

Движение заряда в поверхностном плазмоне всегда создает электромагнитные поля вне (а также внутри) металла. В общий возбуждение, включающее как движение заряда, так и соответствующее электромагнитное поле, называется либо поверхностный плазмон-поляритон на плоском интерфейсе или локализованный поверхностный плазмон 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, крупнейшими из которых были Т. Турбадар в 1950-х и 1960-х годах и Э. Н. Эконому, Хайнц Рэтер, Э. Кречманн и А. Отто в 1960-1970-е гг. Передача информации в наноразмерных структурах, аналогичных фотоника, посредством поверхностных плазмонов, называется плазмоника.[2]

Поверхностные плазмонные поляритоны

Основная статья: Поверхностный плазмон-поляритон

Возбуждение

Основная статья: Поверхностный плазмон-поляритон § Возбуждение

Поверхностные плазмонные поляритоны могут возбуждаться электронами[3] или фотоны. В случае фотонов это невозможно сделать напрямую, но требуется призма, или решетка, или дефект на поверхности металла.[4]


Отношение дисперсии

Кривая дисперсии без потерь для поверхностных плазмонов. На низком k, кривая поверхностного плазмона (красная) приближается к кривой фотона (синяя)
Основная статья: Поверхностный плазмон-поляритон § Поля и дисперсионное соотношение

На низкой частоте SPP приближается к Волна Зоммерфельда-Ценнека, где дисперсионное соотношение (соотношение между частотой и волновым вектором) такое же, как в свободном пространстве. На более высокой частоте дисперсионное соотношение изгибается и достигает асимптотический предел называется "плазменная частота "[4] (см. рисунок справа).[а] Подробнее см. поверхностный плазмон-поляритон.

Длина распространения и глубина кожи

Основная статья: Поверхностный плазмон-поляритон § Длина распространения и глубина скин-слоя

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 глубину проникновения ППП в металл обычно аппроксимируют с помощью глубина кожи формула. 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 плазмон-поляритон.

Локализованные поверхностные плазмоны

Физика конденсированного состояния
QuantumPhaseTransition.svg
Фазы  · Фаза перехода  · QCP
Квазичастицы
Фонон  · Экситон  · Плазмон
Поляритон  · Полярон  · Магнон
Основная статья: Локализованный поверхностный плазмон

Локализованные поверхностные плазмоны возникают в небольших металлических объектах, включая наночастицы. Поскольку трансляционная инвариантность системы теряется, описание в терминах волновой вектор, как и в SPP, сделать нельзя. Также, в отличие от непрерывного дисперсионного соотношения в SPP, электромагнитные режимы частицы дискретизированы.[7]

LSP могут возбуждаться непосредственно падающими волнами; эффективная связь с модами LSP соответствует резонансам и может быть отнесена к поглощение и рассеяние, с увеличенным усилением локального поля.[7] Резонансы LSP во многом зависят от формы частицы; сферические частицы могут быть изучены аналитически с помощью Теория Ми.[4][7]

Экспериментальные приложения

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 от призменного элемента связи как функции угла падения или длина волны. Этот метод можно использовать для наблюдения нанометр изменения толщины, колебания плотности или молекулярное поглощение. Недавние работы также показали, что SPR можно использовать для измерения оптических показателей многослойных систем, где эллипсометрия не дало 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 наномасштабе и разработки полностью CMOS -совместимый электрооптический плазмонный модулятор, который, как говорят, станет ключевым компонентом фотонных схем на уровне кристалла в будущем.[12]

Некоторые другие поверхностные эффекты, такие как рамановский рассеяние и поверхностно-усиленная флуоресценция индуцируются поверхностным плазмоном благородные металлы, поэтому были разработаны сенсоры на основе поверхностных плазмонов.[13]

В генерация второй поверхностной гармоники сигнал второй гармоники пропорционален квадрату электрического поля. Электрическое поле сильнее на границе раздела из-за поверхностного плазмона, приводящего к нелинейный оптический эффект. 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, полностью работоспособный прототип устройства обнаружения казеин в молоке. Устройство основано на мониторинге изменений в плазмонном поглощении света золотым слоем.[15]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Это дисперсионное соотношение без потерь не учитывает влияние демпфирование факторы, такие как внутренние убытки в металлах. Для случаев с потерями дисперсионная кривая изгибается назад после достижения частоты поверхностного плазмона вместо асимптотически возрастает.[5][6]

Рекомендации

  1. ^ Ричи, Р. Х. (июнь 1957 г.). «Плазменные потери быстрых электронов в тонких пленках». Физический обзор. 106 (5): 874–881. Bibcode:1957ПхРв..106..874Р. Дои:10.1103 / PhysRev.106.874.
  2. ^ Полман, Альберт; Гарри А. Этуотер (2005). «Плазмоника: оптика в наномасштабе» (PDF). Материалы сегодня. 8: 56. Дои:10.1016 / S1369-7021 (04) 00685-6. Получено 26 января, 2011.
  3. ^ Башевой, М.В .; Jonsson, F .; Красавин, А.В .; Желудев, Н.И .; Chen Y .; Штокман М.И. (2006). «Генерация бегущих поверхностных плазмонных волн ударом свободных электронов». Нано буквы. 6: 1113. Дои:10.1021 / nl060941v.
  4. ^ а б c d Марадудин, Алексей А .; Сэмблс, Дж. Рой; Барнс, Уильям Л., ред. (2014). Современная плазмоника. Амстердам: Эльзевир. п. 1–23. ISBN  9780444595263.
  5. ^ Аракава, Э. Т .; Уильямс, М. В .; Hamm, R. N .; Ричи Р. Х. (29 октября 1973 г.). «Влияние демпфирования на дисперсию поверхностного плазмона». Письма с физическими проверками. 31 (18): 1127–1129. Дои:10.1103 / PhysRevLett.31.1127.
  6. ^ Майер, Стефан А. (2007). Плазмоника: основы и приложения. Нью-Йорк: Издательство Springer. ISBN  978-0-387-33150-8.
  7. ^ а б 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.
  8. ^ Taverne, S .; Caron, B .; Gétin, S .; Lartigue, O .; Lopez, C .; Meunier-Della-Gatta, S .; Ущелье, В .; Reymermier, M .; Racine, B .; Maindron, T .; Кеснель, Э. (2018-01-12). «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. Дои:10.1063/1.5003869. ISSN  0021-8979.
  9. ^ Сальви, Жером; Барчези, Доминик (01.04.2014). «Измерение толщины и оптических свойств тонких пленок методом поверхностного плазмонного резонанса (ППР)». Прикладная физика A. 115 (1): 245–255. Bibcode:2014АпФА.115..245С. Дои:10.1007 / s00339-013-8038-z. ISSN  1432-0630.
  10. ^ Озбай, Э. (2006). «Плазмоника: слияние фотоники и электроники в наномасштабах». Наука. 311 (5758): 189–93. Bibcode:2006Научный ... 311..189O. Дои:10.1126 / science.1114849. HDL:11693/38263. PMID  16410515.
  11. ^ Акимов Ю А; Чу, Х.С. (2012). «Плазмон-плазмонное взаимодействие: управление светом в наномасштабе». Нанотехнологии. 23 (44): 444004. Дои:10.1088/0957-4484/23/44/444004. PMID  23080049.
  12. ^ 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. Дои:10.1021 / nl902701b. PMID  19827771.
  13. ^ 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:2011АпФЛ..98x1904X. Дои:10.1063/1.3599551.
  14. ^ Валев В.К. (2012). «Характеристика наноструктурированных плазмонных поверхностей с генерацией второй гармоники». Langmuir. 28 (44): 15454–15471. Дои:10.1021 / la302485c. PMID  22889193.
  15. ^ Мин Хип, Ха; Эндо, Тацуро; Керман, Каган; Чикаэ, Миюки; Ким, До-Гюн; Ямамура, Шохей; Такамура, Юдзуру; Тамия, Эйити (2007). «Иммуносенсор на основе локализованного поверхностного плазмонного резонанса для обнаружения казеина в молоке». Наука и технология перспективных материалов. 8 (4): 331. Bibcode:2007STAdM ... 8..331M. Дои:10.1016 / j.stam.2006.12.010.