stringtranslate.com

Плазмон

В физике плазмон — это квант плазменных колебаний . Подобно тому, как свет (оптическое колебание) состоит из фотонов , плазменное колебание состоит из плазмонов. Плазмон можно рассматривать как квазичастицу , поскольку он возникает в результате квантования плазменных колебаний, точно так же, как фононы являются результатом квантования механических колебаний. Таким образом, плазмоны представляют собой коллективные (дискретное число) колебания плотности газа свободных электронов . Например, на оптических частотах плазмоны могут соединяться с фотоном , образуя еще одну квазичастицу, называемую плазмон- поляритон .

Вывод

Плазмон был первоначально предложен в 1952 году Дэвидом Пайнсом и Дэвидом Бомом [1] и, как было показано, возникает из гамильтониана для дальнодействующих электрон-электронных корреляций. [2]

Поскольку плазмоны представляют собой квантование классических плазменных колебаний, большинство их свойств можно вывести непосредственно из уравнений Максвелла . [3]

Объяснение

Плазмоны можно описать в классической картине как колебания электронной плотности относительно фиксированных положительных ионов в металле . Чтобы визуализировать плазменные колебания, представьте себе металлический куб, помещенный во внешнее электрическое поле и направленный вправо. Электроны будут двигаться влево (открывая положительные ионы с правой стороны), пока не нейтрализуют поле внутри металла. Если электрическое поле убрать, электроны движутся вправо, отталкиваясь друг от друга и притягиваясь к положительным ионам, оставшимся незащищенными с правой стороны. Они колеблются взад и вперед на плазменной частоте , пока энергия не теряется из-за какого-либо сопротивления или затухания . Плазмоны представляют собой квантование такого рода колебаний.

Роль

Плазмоны играют огромную роль в оптических свойствах металлов и полупроводников. Частоты света ниже плазменной частоты отражаются материалом, поскольку электроны в материале экранируют электрическое поле света . Свет с частотами выше плазменной частоты передается материалом, поскольку электроны в материале не могут реагировать достаточно быстро, чтобы экранировать его. У большинства металлов плазменная частота находится в ультрафиолетовом диапазоне , что делает их блестящими (отражающими) в видимом диапазоне. Некоторые металлы, такие как медь [4] и золото [5] , имеют электронные межзонные переходы в видимом диапазоне, в результате чего поглощаются определенные световые энергии (цвета), что приводит к их отчетливому цвету. В полупроводниках частота плазмона валентных электронов обычно находится в глубоком ультрафиолете, а их электронные межзонные переходы находятся в видимом диапазоне, при этом поглощаются определенные световые энергии (цвета), что дает их отчетливый цвет [6] [7] , поэтому они являются рефлексивными. Было показано, что плазмонная частота может возникать в средней инфракрасной и ближней инфракрасной области, когда полупроводники имеют форму наночастиц с сильным легированием. [8] [9]

Энергию плазмона часто можно оценить в модели свободных электронов как

где – плотность электронов проводимости , – элементарный заряд , – масса электрона , диэлектрическая проницаемость свободного пространства , приведенная постоянная Планка и плазмонная частота .

Поверхностные плазмоны

Поверхностные плазмоны — это плазмоны, которые ограничены поверхностями и сильно взаимодействуют со светом, образуя поляритон . [10] Они возникают на границе раздела материалов, имеющих положительную действительную часть своей относительной диэлектрической проницаемости, т.е. диэлектрической проницаемости (например, вакуум, воздух, стекло и другие диэлектрики), и материала, чья действительная часть диэлектрической проницаемости отрицательна на данной частоте легкий, обычно металл или сильнолегированные полупроводники. Помимо противоположного знака действительной части диэлектрической проницаемости, величина реальной части диэлектрической проницаемости в области отрицательной диэлектрической проницаемости обычно должна быть больше, чем величина диэлектрической проницаемости в области положительной диэлектрической проницаемости, в противном случае свет не будет связан с поверхности (т.е. поверхностных плазмонов не существует), как показано в знаменитой книге Хайнца Ретера . [11] На видимых длинах волн света, например, на длине волны 632,8 нм, обеспечиваемой He-Ne лазером, интерфейсы, поддерживающие поверхностные плазмоны, часто образуются металлами, такими как серебро или золото (отрицательная действительная диэлектрическая проницаемость), в контакте с диэлектриками, такими как воздух или диоксид кремния. . Конкретный выбор материалов может существенно повлиять на степень удержания света и расстояние распространения из-за потерь. Поверхностные плазмоны также могут существовать на границах раздела, отличных от плоских поверхностей, например, на частицах или прямоугольных полосах, V-образных канавках, цилиндрах и других структурах. Многие структуры были исследованы благодаря способности поверхностных плазмонов удерживать свет ниже дифракционного предела света. Одной простой структурой, которая была исследована, была многослойная система меди и никеля. Младенович и др. сообщают об использовании мультислоев так, как будто это один плазмонный материал. [12] Окисление слоев меди предотвращается добавлением слоев никеля. Использование меди в качестве плазмонного материала — простой путь интеграции плазмоники, поскольку она является наиболее распространенным выбором для металлического покрытия наряду с никелем. Многослойные слои служат дифракционной решеткой для падающего света. При использовании многослойной системы при нормальном падении можно достичь пропускания до 40 процентов в зависимости от соотношения толщины меди и никеля. Таким образом, использование уже популярных металлов в многослойной структуре оказывается решением проблемы плазмонной интеграции.

Поверхностные плазмоны могут играть роль, среди прочего, в рамановской спектроскопии с поверхностным усилением и в объяснении аномалий дифракции на металлических решетках ( аномалия Вуда ). Поверхностный плазмонный резонанс используется биохимиками для изучения механизмов и кинетики связывания лигандов с рецепторами (т.е. связывания субстрата с ферментом ). Многопараметрический поверхностный плазмонный резонанс можно использовать не только для измерения молекулярных взаимодействий, но также для измерения свойств нанослоев или структурных изменений в адсорбированных молекулах, полимерных слоях или, например, графене.

Поверхностные плазмоны также можно наблюдать в спектрах рентгеновского излучения металлов. Получено дисперсионное уравнение для поверхностных плазмонов в спектрах рентгеновского излучения металлов (Харш и Агарвал). [13]

Готический витраж -роза собора Парижской Богоматери . Некоторые цвета были достигнуты за счет коллоидов наночастиц золота.

Совсем недавно поверхностные плазмоны стали использоваться для управления цветом материалов. [14] Это возможно, поскольку контроль формы и размера частицы определяет типы поверхностных плазмонов, которые могут присоединяться к ней и распространяться по ней. Это, в свою очередь, контролирует взаимодействие света с поверхностью. Эти эффекты иллюстрируются историческими витражами , украшающими средневековые соборы. Некоторые цвета витражей создаются металлическими наночастицами фиксированного размера, которые взаимодействуют с оптическим полем, придавая стеклу яркий красный цвет. В современной науке эти эффекты были разработаны как для видимого света, так и для микроволнового излучения . Многие исследования сначала проводятся в микроволновом диапазоне, поскольку на этой длине волны поверхности материалов и образцы могут быть изготовлены механически, поскольку размеры узоров обычно составляют порядка нескольких сантиметров. Создание поверхностных плазмонных эффектов оптического диапазона включает создание поверхностей с характеристиками <400  нм . Это гораздо сложнее, и лишь недавно стало возможным сделать это каким-либо надежным и доступным способом.

Недавно было также показано, что графен вмещает поверхностные плазмоны, что наблюдалось с помощью методов ближнепольной инфракрасной оптической микроскопии [15] [16] и инфракрасной спектроскопии. [17] Потенциальные применения графеновой плазмоники в основном касаются частот от терагерцового до среднего инфракрасного диапазона, таких как оптические модуляторы, фотодетекторы, биосенсоры. [18]

Возможные применения

На положение и интенсивность пиков поглощения и испускания плазмонов влияет молекулярная адсорбция , которую можно использовать в молекулярных сенсорах . Например, был прототип полностью работоспособного устройства для обнаружения казеина в молоке, основанного на обнаружении изменения поглощения золотого слоя. [19] Локализованные поверхностные плазмоны металлических наночастиц можно использовать для восприятия различных типов молекул, белков и т. д.

Плазмоны рассматриваются как средство передачи информации на компьютерных чипах , поскольку плазмоны могут поддерживать гораздо более высокие частоты (в диапазоне 100  ТГц , тогда как обычные провода становятся очень потерями на десятках ГГц ). Однако для того, чтобы плазмонная электроника стала практичной, необходимо создать плазмонный усилитель, аналог транзистора , называемый плазмонтором. [20]

Плазмоны также были предложены в качестве средства литографии и микроскопии высокого разрешения из-за их чрезвычайно малых длин волн; оба этих приложения прошли успешную демонстрацию в лабораторных условиях.

Наконец, поверхностные плазмоны обладают уникальной способностью ограничивать свет очень малыми размерами, что может открыть множество новых приложений.

Поверхностные плазмоны очень чувствительны к свойствам материалов, на которых они распространяются. Это привело к их использованию для измерения толщины монослоев на коллоидных пленках, например, для скрининга и количественной оценки событий связывания белков . Такие компании, как Biacore, имеют коммерциализированные инструменты, работающие на этих принципах. Оптические поверхностные плазмоны исследуются с целью улучшения макияжа компаниями L'Oréal и другими. [21]

В 2009 году корейская исследовательская группа нашла способ значительно повысить эффективность органических светодиодов с помощью плазмонов. [22]

Группа европейских исследователей во главе с IMEC начала работу по повышению эффективности и стоимости солнечных элементов за счет внедрения металлических наноструктур (с использованием плазмонных эффектов), которые могут улучшить поглощение света в различных типах солнечных элементов: кристаллический кремний (c-Si), высокий -Производительность III-V, органическая и чувствительная к красителям.[23] Однако для оптимального функционирования плазмонных фотоэлектрических устройств необходимы ультратонкие прозрачные проводящие оксиды . [24] Были продемонстрированы полноцветные голограммы с использованием плазмоники [25] .

Плазмон-солитон

Плазмонсолитон математически относится к гибридному решению нелинейного амплитудного уравнения, например, для металл-нелинейной среды, рассматривающей как плазмонную моду, так и уединенное решение . С другой стороны, солиплазмонный резонанс рассматривается как квазичастица, сочетающая поверхностную плазмонную моду с пространственным солитоном в результате резонансного взаимодействия. [26] [27] [28] [29] Для достижения одномерного уединенного распространения в плазмонном волноводе , в то время как поверхностные плазмоны должны быть локализованы на границе раздела, латеральное распределение огибающей поля также должно оставаться неизменным.

Волновод на основе графена является подходящей платформой для поддержки гибридных плазмон-солитонов благодаря большой эффективной площади и огромной нелинейности. [30] Например, распространение уединенных волн в графен-диэлектрической гетероструктуре может проявляться в виде солитонов более высокого порядка или дискретных солитонов в результате конкуренции между дифракцией и нелинейностью. [31] [32]

Смотрите также

Сноски

  1. ^ Пайнс, Дэвид; Бом, Дэвид (15 января 1952 г.). «Коллективное описание электронных взаимодействий: II. Коллективные и индивидуальные аспекты взаимодействия частиц». Физический обзор . 85 (2): 338–353. Бибкод : 1952PhRv...85..338P. doi : 10.1103/PhysRev.85.338.Цитируется по: Дрор Сарид; Уильям Челленер (6 мая 2010 г.). Современное введение в поверхностные плазмоны: теория, математическое моделирование и приложения. Издательство Кембриджского университета. п. 1. ISBN 978-0-521-76717-0.
  2. ^ Дэвид Бом, Дэвид Пайнс (1 ноября 1953 г.). «Кулоновские взаимодействия в вырожденном электронном газе». Физ. Преподобный . Коллективное описание электронных взаимодействий. III. 92 (3): 609–625. Бибкод : 1953PhRv...92..609B. doi : 10.1103/physrev.92.609. S2CID  55594082.Цитируется по: Н. Я. Шевчик (1974). «Альтернативный вывод теории Бома-Пайнса электрон-электронных взаимодействий». Дж. Физ. C: Физика твердого тела . 7 (21): 3930–3936. Бибкод : 1974JPhC....7.3930S. дои : 10.1088/0022-3719/21.07.013.
  3. ^ Джексон, JD (1975) [1962]. «10.8 Плазменные колебания» . Классическая электродинамика (2-е изд.). Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья . ISBN 978-0-471-30932-1. ОСЛК  535998.
  4. ^ Бердик, Гленн (1963). «Зонная энергетическая структура меди». Физический обзор . 129 (1): 138–150. Бибкод : 1963PhRv..129..138B. дои : 10.1103/PhysRev.129.138.
  5. ^ С. Цзэн; и другие. (2011). «Обзор функционализированных наночастиц золота для биосенсорных приложений». Плазмоника . 6 (3): 491–506. doi : 10.1007/s11468-011-9228-1. S2CID  34796473.
  6. ^ Киттель, К. (2005). Введение в физику твердого тела (8-е изд.). Джон Уайли и сыновья . п. 403, таблица 2.
  7. ^ Бёр, KW (2002). Обзор физики полупроводников . Том. 1 (2-е изд.). Джон Уайли и сыновья . п. 525.
  8. ^ Синь Лю; Марк Т. Суихарт (2014). «Сильнолегированные коллоидные полупроводники и нанокристаллы оксидов металлов: новый класс плазмонных наноматериалов». хим. Соц. Преподобный . 43 (11): 3908–3920. дои : 10.1039/c3cs60417a. PMID  24566528. S2CID  18960914.
  9. ^ Сяодун Пи, Кристоф Делерю (2013). «Тщательные расчеты оптического отклика оптимально легированных P-нанокристаллов Si: модель локализованного поверхностного плазмонного резонанса» (PDF) . Письма о физических отзывах . 111 (17): 177402. Бибкод : 2013PhRvL.111q7402P. doi : 10.1103/PhysRevLett.111.177402. ПМИД  24206519.
  10. ^ Цзэн, Шувэнь; Ю, Ся; Ло, Вин-Чунг; Чжан, Ятинг; и другие. (2013). «Размерная зависимость поверхностного плазмонного резонанса, усиленного Au NP, на основе измерения дифференциальной фазы» (PDF) . Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 176 : 1128–1133. дои :10.1016/j.snb.2012.09.073.
  11. ^ Ретер, Хайнц (1988). Поверхностные плазмоны на гладких и шероховатых поверхностях и решетках . Спрингер. п. 119. ИСБН 978-3-540-17363-2.
  12. ^ Младенович, И.; Якшич З.; Обрадов М.; Вукович, С.; Исич, Г.; Танаскович, Д.; Ламовец, Дж. (17 апреля 2018 г.). «Субволновые мультислои никель-медь как альтернативный плазмонный материал» (PDF) . Оптическая и квантовая электроника . 50 (5). дои : 10.1007/s11082-018-1467-3. S2CID  125180142.
  13. ^ Суровый, ОК; Агарвал, Б.К. (1988). «Закон дисперсии поверхностных плазмонов в спектрах рентгеновского излучения полубесконечного прямоугольного металла, ограниченного плоскостью». Физика B+C . 150 (3): 378–384. Бибкод : 1988PhyBC.150..378H. дои : 10.1016/0378-4363(88)90078-2.
  14. ^ «Светодиоды работают как крылья бабочки» . Новости BBC . 18 ноября 2005 года . Проверено 22 мая 2010 г.
  15. ^ Цзянин Чен; Микела Бадиоли; Пабло Алонсо-Гонсалес; Сукосин Тонграттанасири; Флориан Хут; Иоганн Осмонд; Марко Спасенович; Альба Сентено; Амайя Пескера; Филипп Годиньон; Амайя Зурутуза Элорза; Николас Камара; Ф. Хавьер Гарсиа де Абахо; Райнер Хилленбранд; Фрэнк Х.Л. Коппенс (5 июля 2012 г.). «Оптическое наноизображение графеновых плазмонов с перестраиваемыми затворами». Природа . 487 (7405): 77–81. arXiv : 1202.4996 . Бибкод : 2012Natur.487...77C. дои : 10.1038/nature11254. PMID  22722861. S2CID  4431470.
  16. ^ З. Фей; А.С. Роден; Г.О. Андреев; В. Бао; А. С. Маклеод; М. Вагнер; Л.М. Чжан; З. Чжао; М. Тименс; Г. Домингес; М. М. Фоглер; А. Х. Кастро Нето; КН Лау; Ф. Кейльманн; Д.Н. Басов (5 июля 2012 г.). «Настройка ворот графеновых плазмонов, обнаруженная с помощью инфракрасного наноизображения». Природа . 487 (7405): 82–85. arXiv : 1202.4993 . Бибкод : 2012Natur.487...82F. дои : 10.1038/nature11253. PMID  22722866. S2CID  4348703.
  17. ^ Хуген Ян; Тони Лоу; Вэньцзюань Чжу; Яньцин Ву; Маркус Фрайтаг; Сюэсун Ли; Франсиско Гвинея; Федон Авурис; Фэннянь Ся (2013). «Пути затухания плазмонов среднего инфракрасного диапазона в графеновых наноструктурах». Природная фотоника . 7 (5): 394–399. arXiv : 1209.1984 . Бибкод : 2013NaPho...7..394Y. дои : 10.1038/nphoton.2013.57. S2CID  119225015.
  18. ^ Тони Лоу; Федон Авурис (2014). «Графеновая плазмоника для приложений от терагерцового до среднего инфракрасного диапазона». АСУ Нано . 8 (2): 1086–1101. arXiv : 1403.2799 . Бибкод : 2014arXiv1403.2799L. дои : 10.1021/nn406627u. PMID  24484181. S2CID  8151572.
  19. ^ Хейп, HM; и другие. (2007). «Иммуносенсор на основе локализованного поверхностного плазмонного резонанса для обнаружения казеина в молоке». Наука и технология перспективных материалов . 8 (4): 331–338. Бибкод : 2007STAdM...8..331M. doi :10.1016/j.stam.2006.12.010. S2CID  136613827.
  20. ^ Левоцки, Кристин (2007). «Обещание плазмоники». СПИЭ Профессионал . дои : 10.1117/2.4200707.07.
  21. ^ «Премия L'Oréal Art & Science of Color – обладатели 7-й премии».
  22. ^ «Профессор Чой представляет метод повышения эффективности излучения OLED» . КАИСТ . 9 июля 2009 г. Архивировано из оригинала 18 июля 2011 г.
  23. ^ «Партнеры ЕС рассматривают металлические наноструктуры для солнечных элементов» . ЭлектроIQ. 30 марта 2010 г. Архивировано из оригинала 8 марта 2011 г.
  24. ^ Джефиас Гвамури; Анкит Вора; Раджендра Р. Ханал; Адам Б. Филлипс; Майкл Дж. Хебен; Дурду О. Гуней; Пол Бергстром; Ананд Кулкарни; Джошуа М. Пирс (2015). «Ограничения ультратонких прозрачных проводящих оксидов для интеграции в тонкопленочные солнечные фотоэлектрические устройства с усиленной плазмой». Материалы для возобновляемой и устойчивой энергетики . 4 (12). дои : 10.1007/s40243-015-0055-8 .
  25. ^ Кавата, Сатоши. «Новая техника освещает создание голограмм». Физика.орг . Проверено 24 сентября 2013 г.
  26. ↑ Феррандо, Альберт (9 января 2017 г.). «Нелинейное плазмонное усиление посредством диссипативных солитон-плазмонных резонансов». Физический обзор А. 95 (1): 013816. arXiv : 1611.02180 . Бибкод : 2017PhRvA..95a3816F. doi : 10.1103/PhysRevA.95.013816. S2CID  119203392.
  27. ^ Фейгенбаум, Эяль; Оренштейн, Меир (15 февраля 2007 г.). «Плазмон-солитон». Оптические письма . 32 (6): 674–6. arXiv : физика/0605144 . Бибкод : 2007OptL...32..674F. дои : 10.1364/OL.32.000674. PMID  17308598. S2CID  263798597.
  28. ^ Милиан, К.; Себальос-Эррера, Делавэр; Скрябин Д.В.; Феррандо, А. (5 октября 2012 г.). «Солитон-плазмонные резонансы как нелинейные связанные состояния Максвелла» (PDF) . Оптические письма . 37 (20): 4221–3. дои : 10.1364/OL.37.004221. PMID  23073417. S2CID  37487811.
  29. ^ Блиох, Константин Ю.; Блиох Юрий П.; Феррандо, Альберт (9 апреля 2009 г.). «Резонансное плазмон-солитонное взаимодействие». Физический обзор А. 79 (4): 041803. arXiv : 0806.2183 . Бибкод : 2009PhRvA..79d1803B. doi :10.1103/PhysRevA.79.041803. S2CID  16183901.
  30. ^ Нестеров, Максим Л.; Браво-Абад, Хорхе; Никитин, Алексей Ю.; Гарсиа-Видаль, Франсиско Х.; Мартин-Морено, Луис (март 2013 г.). «Графен поддерживает распространение субволновых оптических солитонов». Обзоры лазеров и фотоники . 7 (2): L7–L11. arXiv : 1209.6184 . Бибкод : 2013ЛПРв....7Л...7Н. дои : 10.1002/lpor.201200079. S2CID  44534095.
  31. ^ Блудов, Ю. В.; Смирнова Д.А.; Кившарь, Ю. С.; Перес, ЯМР; Василевский М.И. (21 января 2015 г.). «Дискретные солитоны в графеновых метаматериалах». Физический обзор B . 91 (4): 045424. arXiv : 1410.4823 . Бибкод : 2015PhRvB..91d5424B. doi : 10.1103/PhysRevB.91.045424. S2CID  8245248.
  32. ^ Шариф, Мортеза А. (январь 2019 г.). «Пространственно-временная модуляционная неустойчивость поверхностных плазмонных поляритонов в графен-диэлектрической гетероструктуре». Физика E: Низкоразмерные системы и наноструктуры . 105 : 174–181. arXiv : 2009.05854 . Бибкод : 2019PhyE..105..174S. doi :10.1016/j.physe.2018.09.011. S2CID  125830414.

Рекомендации

Внешние ссылки