stringtranslate.com

Плазмон

В физике плазмон — это квант плазменных колебаний . Так же, как свет (оптическое колебание) состоит из фотонов , плазменные колебания состоят из плазмонов. Плазмон можно рассматривать как квазичастицу , поскольку он возникает из квантования плазменных колебаний, так же как фононы являются квантованиями механических колебаний. Таким образом, плазмоны — это коллективные (дискретное число) колебания плотности свободного электронного газа . Например, на оптических частотах плазмоны могут связываться с фотоном , создавая другую квазичастицу, называемую плазмонным поляритоном .

Область изучения и манипулирования плазмонами называется плазмоникой .

Вывод

Плазмон был первоначально предложен в 1952 году Дэвидом Пайнсом и Дэвидом Бомом [1] и было показано, что он возникает из гамильтониана для дальних 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 куб металла, помещенный во внешнее электрическое поле, направленный вправо. Электроны будут двигаться в левую сторону (открывая положительные ионы на правой стороне) до тех пор, пока они не нейтрализуют поле внутри металла. Если электрическое поле убрать, электроны движутся вправо, отталкиваясь друг от друга и притягиваясь к положительным ионам, оставшимся голыми на правой стороне. Они колеблются вперед и назад на плазменной частоте, пока энергия не будет потеряна в каком-то виде сопротивления или затухания . Плазмоны являются квантованием этого вида колебаний.

Роль

Плазмоны играют огромную роль в оптических свойствах металлов и полупроводников. Частоты света ниже плазменной частоты отражаются материалом, потому что электроны в материале экранируют электрическое поле света . Свет частот выше плазменной частоты передается материалом, потому что электроны в материале не могут реагировать достаточно быстро, чтобы экранировать его. В большинстве металлов плазменная частота находится в ультрафиолете , что делает их блестящими (отражающими) в видимом диапазоне. Некоторые металлы, такие как медь [4] и золото [5] , имеют электронные межзонные переходы в видимом диапазоне, при которых поглощаются определенные световые энергии (цвета), что дает их особый цвет. В полупроводниках частота валентного электронного плазмона обычно находится в глубоком ультрафиолете, в то время как их электронные межзонные переходы находятся в видимом диапазоне, при этом поглощаются определенные световые энергии (цвета), что дает их особый цвет [6] [7] , поэтому они являются отражающими. Было показано, что частота плазмона может возникать в средней инфракрасной и ближней инфракрасной области, когда полупроводники находятся в форме 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 , — частота плазмона .

Поверхностные плазмоны

Поверхностные плазмоны — это те плазмоны, которые ограничены поверхностями и которые сильно взаимодействуют со светом, что приводит к поляритону . [10] Они возникают на границе материала, демонстрирующего положительную действительную часть своей относительной диэлектрической проницаемости, т. е. диэлектрическую постоянную (например, вакуум, воздух, стекло и другие диэлектрики), и материала, действительная часть диэлектрической проницаемости которого отрицательна на данной частоте света, обычно это металл или сильно легированные полупроводники. В дополнение к противоположному знаку действительной части диэлектрической проницаемости, величина действительной части диэлектрической проницаемости в области отрицательной диэлектрической проницаемости обычно должна быть больше величины диэлектрической проницаемости в области положительной диэлектрической проницаемости, в противном случае свет не будет связан с поверхностью (т. е. поверхностные плазмоны не существуют), как показано в известной книге Хайнца Рэтера . [11] На видимых длинах волн света, например, на длине волны 632,8 нм, обеспечиваемой гелий-неоновым лазером, интерфейсы, поддерживающие поверхностные плазмоны, часто образованы металлами, такими как серебро или золото (отрицательная действительная часть диэлектрической проницаемости), в контакте с диэлектриками, такими как воздух или диоксид кремния. Конкретный выбор материалов может иметь радикальное влияние на степень ограничения света и расстояние распространения из-за потерь. Поверхностные плазмоны могут также существовать на интерфейсах, отличных от плоских поверхностей, таких как частицы или прямоугольные полосы, v-образные канавки, цилиндры и другие структуры. Многие структуры были исследованы из-за способности поверхностных плазмонов ограничивать свет ниже дифракционного предела света. Одной из простых структур, которая была исследована, была многослойная система меди и никеля. Младенович и др. сообщают об использовании многослойных материалов, как если бы это был один плазмонный материал. [12] Окисление медных слоев предотвращается добавлением слоев никеля. Это простой путь интеграции плазмоники, чтобы использовать медь в качестве плазмонного материала, поскольку это наиболее распространенный выбор для металлического покрытия вместе с никелем. Многослойные слои служат дифракционной решеткой для падающего света. До 40 процентов пропускания может быть достигнуто при нормальном падении с многослойной системой в зависимости от соотношения толщины меди к никелю. Таким образом, использование уже популярных металлов в многослойной структуре оказывается решением для плазмонной интеграции.

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

Поверхностные плазмоны также могут наблюдаться в рентгеновских эмиссионных спектрах металлов. Было получено дисперсионное соотношение для поверхностных плазмонов в рентгеновских эмиссионных спектрах металлов (Харш и Агарвал). [13]

Готическое витражное окно-роза собора Парижской Богоматери . Некоторые цвета были получены с помощью коллоидов наночастиц золота.

Совсем недавно поверхностные плазмоны использовались для управления цветами материалов. [14] Это возможно, поскольку управление формой и размером частицы определяет типы поверхностных плазмонов, которые могут быть связаны с ней и распространяться по ней. Это, в свою очередь, управляет взаимодействием света с поверхностью. Эти эффекты иллюстрируются историческими витражами , украшающими средневековые соборы. Некоторые цвета витражей производятся 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 получены механически, поскольку узоры, как правило, имеют порядок нескольких сантиметров. Создание эффектов поверхностных плазмонов оптического диапазона включает создание поверхностей, которые имеют характеристики <400  нм . Это намного сложнее, и только недавно стало возможным сделать каким-либо надежным или доступным способом.

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

Возможные применения

Положение и интенсивность пиков поглощения и испускания плазмона зависят от молекулярной адсорбции , которая может использоваться в молекулярных датчиках . Например, был создан прототип полностью рабочего устройства, обнаруживающего казеин в молоке, на основе обнаружения изменения поглощения золотого слоя. [19] Локализованные поверхностные плазмоны металлических наночастиц могут использоваться для обнаружения 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 в десятках ГГц ). Однако для того, чтобы электроника на основе плазмонов стала практичной, необходимо создать усилитель на основе плазмонов, аналогичный транзистору , называемый плазмонстором. [20]

Плазмоны также были предложены в качестве средства литографии и микроскопии высокого разрешения из-за их чрезвычайно малых длин волн; оба эти применения были успешно продемонстрированы в лабораторных условиях.

Наконец, поверхностные плазмоны обладают уникальной способностью ограничивать свет до очень малых размеров, что может открыть множество новых областей применения.

Поверхностные плазмоны очень чувствительны к свойствам материалов, на которых они распространяются. Это привело к их использованию для измерения толщины монослоев на коллоидных пленках, таких как скрининг и количественная оценка событий связывания белков . Такие компании, как Biacore, выпустили на рынок приборы, работающие на этих принципах. Оптические поверхностные плазмоны исследуются с целью улучшения макияжа 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 (используя плазмонные эффекты), которые могут улучшить поглощение света в различных типах солнечных элементов: кристаллический кремний (c-Si), высокопроизводительные III-V, органические и сенсибилизированные красителем. [23] Однако для оптимального функционирования плазмонных фотоэлектрических устройств необходимы сверхтонкие прозрачные проводящие оксиды . [24] Были продемонстрированы полноцветные голограммы с использованием плазмоники [25] .

Плазмон-солитон

Плазмон- солитон математически относится к гибридному решению нелинейного амплитудного уравнения, например, для металл-нелинейной среды, рассматривающей как плазмонную моду, так и уединенное решение. Солиплазмонный резонанс, с другой стороны, рассматривается как квазичастица, объединяющая 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, поперечное распределение огибающей поля также должно быть неизменным.

Волновод на основе графена является подходящей платформой для поддержки гибридных плазмон-солитонов из-за большой эффективной площади и огромной нелинейности. [30] Например, распространение уединенных волн в гетероструктуре графен-диэлектрик может выглядеть как солитоны более высокого порядка или дискретные солитоны, возникающие в результате конкуренции между дифракцией и нелинейностью. [31] [32]

Смотрите также

Сноски

  1. ↑ Pines, David; Bohm, David (15 января 1952 г.). «Коллективное описание электронных взаимодействий: II. Коллективные и индивидуальные аспекты взаимодействий». Physical Review . 85 (2): 338–353. Bibcode :1952PhRv...85..338P. doi :10.1103/PhysRev.85.338.Цитируется по: Dror Sarid; William Challener (6 мая 2010 г.). Современное введение в поверхностные плазмоны: теория, моделирование Mathematica и приложения. Cambridge University Press. стр. 1. ISBN 978-0-521-76717-0.
  2. ^ Дэвид Бом, Дэвид Пайнс (1 ноября 1953 г.). «Кулоновские взаимодействия в вырожденном электронном газе». Phys. Rev. Коллективное описание электронных взаимодействий: III. 92 (3): 609–625. Bibcode :1953PhRv...92..609B. doi :10.1103/physrev.92.609. S2CID  55594082.Цитируется по: NJ Shevchik (1974). "Альтернативный вывод теории электрон-электронных взаимодействий Бома-Пайнса". J. Phys. C: Solid State Phys . 7 (21): 3930–3936. Bibcode : 1974JPhC....7.3930S. doi : 10.1088/0022-3719/7/21/013.
  3. ^ Джексон, Дж. Д. (1975) [1962]. "10.8 Плазменные колебания" . Классическая электродинамика (2-е изд.). Нью-Йорк: John Wiley & Sons . ISBN 978-0-471-30932-1. OCLC  535998.
  4. ^ Бердик, Гленн (1963). «Структура энергетической зоны меди». Physical Review . 129 (1): 138–150. Bibcode : 1963PhRv..129..138B. doi : 10.1103/PhysRev.129.138.
  5. ^ S. Zeng; et al. (2011). «Обзор функционализированных золотых наночастиц для биосенсорных приложений». Plasmonics . 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.). John Wiley & Sons . стр. 403, таблица 2.
  7. ^ Бёр, К. В. (2002). Обзор физики полупроводников . Том 1 (2-е изд.). John Wiley & Sons . стр. 525.
  8. ^ Синь Лю; Марк Т. Свихарт (2014). «Сильнолегированные коллоидные полупроводниковые и металлооксидные нанокристаллы: новый класс плазмонных наноматериалов». Chem. Soc. Rev. 43 ( 11): 3908–3920. doi :10.1039/c3cs60417a. PMID  24566528. S2CID  18960914.
  9. ^ Сяодун Пи, Кристоф Делерю (2013). «Расчеты сильной связи оптического отклика оптимально легированных фосфором нанокристаллов Si: модель локализованного поверхностного плазмонного резонанса» (PDF) . Physical Review Letters . 111 (17): 177402. Bibcode :2013PhRvL.111q7402P. doi :10.1103/PhysRevLett.111.177402. PMID  24206519.
  10. ^ Цзэн, Шувэнь; Ю, Ся; Лоу, Винг-Ченг; Чжан, Ятинг; и др. (2013). «Зависимость размера резонанса поверхностного плазмона, усиленного Au NP, на основе дифференциального фазового измерения» (PDF) . Датчики и приводы B: Химические . 176 : 1128–1133. doi :10.1016/j.snb.2012.09.073.
  11. ^ Raether, Heinz (1988). Поверхностные плазмоны на гладких и шероховатых поверхностях и на решетках . Springer. стр. 119. ISBN 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. ^ Харш, О. К.; Агарвал, Б. К. (1988). «Соотношение дисперсии поверхностного плазмона в спектрах рентгеновского излучения полубесконечного прямоугольного металла, ограниченного плоскостью». Physica B+C . 150 (3): 378–384. Bibcode : 1988PhyBC.150..378H. doi : 10.1016/0378-4363(88)90078-2.
  14. ^ "Светодиоды работают как крылья бабочек". BBC News . 18 ноября 2005 г. Получено 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. ^ Z. Fei; AS Rodin; GO Andreev; W. Bao; AS McLeod; M. Wagner; LM Zhang; Z. Zhao; M. Thiemens; G. Dominguez; MM Fogler; AH Castro Neto; CN Lau; F. Keilmann; DN Basov (5 июля 2012 г.). "Gate-tuning of graphene plasmons revealed by infrared nano-imaging". Nature . 487 (7405): 82–85. arXiv : 1202.4993 . Bibcode :2012Natur.487...82F. doi :10.1038/nature11253. PMID  22722866. S2CID  4348703.
  17. ^ Hugen Yan; Tony Low; Wenjuan Zhu; Yanqing Wu; Marcus Freitag; Xuesong Li; Francisco Guinea; Phaedon Avouris; Fengnian Xia (2013). «Пути затухания плазмонов среднего инфракрасного диапазона в графеновых наноструктурах». Nature Photonics . 7 (5): 394–399. arXiv : 1209.1984 . Bibcode :2013NaPho...7..394Y. doi :10.1038/nphoton.2013.57. S2CID  119225015.
  18. ^ Тони Лоу; Фаедон Авоурис (2014). «Графеновая плазмоника для терагерцовых и средних инфракрасных приложений». ACS Nano . 8 (2): 1086–1101. arXiv : 1403.2799 . Bibcode : 2014arXiv1403.2799L. doi : 10.1021/nn406627u. PMID  24484181. S2CID  8151572.
  19. ^ Heip, HM; et al. (2007). «Иммуносенсор на основе локализованного поверхностного плазмонного резонанса для обнаружения казеина в молоке». Science and Technology of Advanced Materials . 8 (4): 331–338. Bibcode : 2007STAdM...8..331M. doi : 10.1016/j.stam.2006.12.010 . S2CID  136613827.
  20. ^ Левотски, Кристин (2007). «Перспективы плазмоники». SPIE Professional . doi :10.1117/2.4200707.07.
  21. ^ «Премия L'Oréal «Искусство и наука цвета» – 7-е место».
  22. ^ "Проф. Чой представил метод повышения эффективности излучения OLED". KAIST . 9 июля 2009 г. Архивировано из оригинала 18 июля 2011 г.
  23. ^ "Партнеры ЕС рассматривают металлические наноструктуры для солнечных батарей". ElectroIQ. 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 плазмонно-усиленные тонкопленочные солнечные фотоэлектрические устройства». Материалы для возобновляемой и устойчивой энергетики . 4 (12). doi : 10.1007/s40243-015-0055-8 .
  25. ^ Кавата, Сатоши. «Новая техника освещает создание голограмм». Phys.org . Получено 24 сентября 2013 г.
  26. ^ Феррандо, Альберт (9 января 2017 г.). «Нелинейное плазмонное усиление через диссипативные солитон-плазмонные резонансы». Physical Review A. 95 ( 1): 013816. arXiv : 1611.02180 . Bibcode : 2017PhRvA..95a3816F. doi : 10.1103/PhysRevA.95.013816. S2CID  119203392.
  27. ^ Фейгенбаум, Эял; Оренштейн, Меир (15 февраля 2007 г.). «Плазмон-солитон». Optics Letters . 32 (6): 674–6. arXiv : physics/0605144 . Bibcode : 2007OptL...32..674F. doi : 10.1364/OL.32.000674. PMID  17308598. S2CID  263798597.
  28. ^ Милиан, К.; Себальос-Эррера, Д. Э.; Скрябин, Д. В.; Феррандо, А. (5 октября 2012 г.). «Солитонно-плазмонные резонансы как нелинейные связанные состояния Максвелла» (PDF) . Optics Letters . 37 (20): 4221–3. doi :10.1364/OL.37.004221. PMID  23073417. S2CID  37487811.
  29. ^ Блиох, Константин Ю.; Блиох, Юрий П.; Феррандо, Альберт (9 апреля 2009 г.). "Резонансное взаимодействие плазмона и солитона". Physical Review A. 79 ( 4): 041803. arXiv : 0806.2183 . Bibcode : 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, ДА; Кившарь, Ю. С.; Перес, ЯМР; Василевский, МИ (21 января 2015 г.). "Дискретные солитоны в графеновых метаматериалах". Physical Review B . 91 (4): 045424. arXiv : 1410.4823 . Bibcode :2015PhRvB..91d5424B. doi :10.1103/PhysRevB.91.045424. S2CID  8245248.
  32. ^ Шариф, Мортеза А. (январь 2019 г.). «Пространственно-временная модуляционная нестабильность поверхностных плазмонных поляритонов в гетероструктуре графен-диэлектрик». Physica E: Низкоразмерные системы и наноструктуры . 105 : 174–181. arXiv : 2009.05854 . Bibcode : 2019PhyE..105..174S. doi : 10.1016/j.physe.2018.09.011. S2CID  125830414.

Ссылки

Внешние ссылки