علم پلاسمونیک امیدرضا دانشمندی، فهیمه بهزادی
کاربردهای فناوری نانو نانوقطعات الکترونیکی و نوری سوم
مقدمه پلاسمونیک بر اساس فرآیند برهم کنش بین امواج الکترومغناطیسی و الکترون های رسانش در فلزات با ابعاد نانو بیان شده است. در پلاسمون های سطحی موضعی اساس برهم کنش ها نانو ذرات می باشد که به بررسی خواص آنها در تحریک این مد از امواج پلاسمونیک پرداخته شده است. در پلاسمون پلاریتون های سطحی با معرفی بنیاد کاری آنها فرمول بندی میدانی آن و چگونگی گذشتن از حد پراش توسط این ساختارها بیان شده است.
تاریخچه سال ها قبل از میلاد از ویژگی های پلاسمونیک و نانو ذرات برای ایجاد رنگ های چشم نواز در شیشه ها استفاده می شد که نمونه ای از آن جامی است که در یکی از موزه های شهر لندن نگهداری می شود. وود (R. Wood)، خواص عجیبی از اندازه گیری بازتاب نوری از شبکه های فلزی مشاهده کرد. گرنت (M. Grant) رنگ های موجود در شیشه های رنگی را با استفاده از نظریه جدید درود (که خواص انتقال الکترون ها در مواد و مخصوصا در فلزات را بیان می کند) برای فلزات توضیح داد. مای (G. Mie)، نظریه خود را در مورد پراکندگی الکترومغناطیسی ذرات کروی ارائه داد. پینس (D. Pines) به صورت تحلیلی دلیل افت سریع انرژی الکترون ها در عبور از فلزات را بیان کرد. این انرژی صرف حرکت تجمعی و نوسان گونه الکترون های آزاد فلز می شود و آن را پلاسمون نامید. فانو (R. Fano)، عبارت پلاریتون را برای نوسان الکترون های مقید فلز در حالت جفت شدگی با فونون های پرتو فرودی به کار برد.
مقدمه نام پلاریتون برای شبه ذراتی که نیم ماده و نیم فوتون بودند، بکار گرفته شد که حالت تزویج شده بین یک فوتون پرتو تحریک کننده ابتدایی و الکترون های رسانش فلز است . اصطلاح پلاسمون پلاریتون (Plasmon Polariton) برای بیان علت تزویج شده بین یک فوتون و یک پلاسمون است.
علم پلاسمونیک پلاسمونیک به دو جز تقسیم می شود که هرکدام از آنها کاربردی از فلزات و امواج الکترومغناطیسی در مشخصات نانومتری در ساختارهای دو بعدی، تک بعدی و حتی صفر بعدی است. پلاسمون های سطحی موضعی (Localized Surface Plasmon) پلاسمون پلاریتون های سطحی (Surface Plasmon Polariton)
پلاسمون های سطحی موضعی (Localized Surface Plasmon) تشدید پلاسمون های سطحی، نوسان های هماهنگ و تجمعی الکترون های فلز است که توسط پرتو تابشی تحریک شده است. شرط نوسان به این صورت است که فرکانس فوتون های پرتو تابش شده با فرکانس طبیعی الکترون های سطحی یکسان شود. تشدید پلاسمون های سطحی در ساختارهای با ابعاد نانومتری، تشدید پلاسمون های سطحی موضعی (Localized Surface Plasmon Resonance) نامیده می شود. پلاسمون های سطحی موضعی، تحریک غیر انتشاری الکترون های باند هدایت نانوساحتارهای فلزی است که میدان الکترومغناطیسی به آنها تزویج شده است. برهم کنش های یک ذره با اندازه d با امواج الکترومغناطیسی با طول موج λ تحریکی، می تواند به روش های مختلف تحلیلی، نیمه تحلیلی و عددی بررسی شود. فرض : یعنی ابعاد ذره خیلی کوچکتر از طول موج باشد. فاز نوسان هماهنگ میدان الکترومغناطیسی در حجم ذره ثابت فرض می شود.
پلاسمون های سطحی موضعی (Localized Surface Plasmon) در تحریک پلاسمون های سطحی موضعی و مشخصات آنها شرایط زیر اثرگذار است: خواص الکترونیکی نانو ذره ابعاد و شکل نانو ذره خواص دمایی نانو ذره دی الکتریک احاطه کننده نانو ذره با دور شدن از سطح نانوذره فلزی شدت میدان به صورت نمایی کاهش می یابد.
نوسان الکترون های سطحی و الگوی میدان الکتریکی اطراف آنها
پلاسمون های سطحی موضعی (Localized Surface Plasmon) بررسی نانو ذره ها نانو ذره ها مابین اتم ها و حالت توده ای جامد قرار می گیرد و خواص بسیار متفاوتی نسبت به حالت توده ای دارد. خواص نانو ذره ها با تغییر اندازه و شکل آنها تغییر می کند. اثرات ذاتی که مربوط به تغییرات نسبت حجم به سطح ماده است. اثرات غیرذاتی که نانو ذره در پاسخ به میدان ها و نیروهای خارجی از خود نشان می دهد. نانوذره ها دارای تعداد زیادی اتم های سطحی در مقایسه با اتم هایی که درون حجم آنها قرار دارند، می باشد. وابستگی طیف نوری نانوذره های بزرگ به اندازه آنها، یک اثر خارجی است که تنها به وسیله ابعاد ذره نسبت به پرتو الکترومغناطیسی کنترل می شود. برای نانو ذره های کوچک اثرات ذاتی اندازه نیز نقش پیدا می کند. یعنی تابع ثابت دی الکتریک آن علاوه بر طول موج، تابعی از اندازه ذره خواهد بود.
پلاسمون پلاریتون های سطحی ( Surface Plasmon Polariton ) پلاریتون پلاسمون های سطحی یا SPP تحریک های الکترومغناطیسی هستند که به الکترون های آزاد جمع شونده و نوسان کننده سطحی در فلزات تزویج می شوند تا بتوانند به طور طولی در سطح تقاطع فلز-دی الکتریک انتشار یابند. پرتو الکترومغناطیسی تابیده شده باید دارای شرایطی باشد: از جمله طوری تابانده شود که بازتاب داخلی کامل ایجاد شود و دارای قطبش طولی (P-Polarized) باشد. علت حائز اهمیت بودن پلاسمون پلاریتون های سطحی توانایی آنها در تمرکز دادن میدان الکترومغناطیسی است که حد پراکندگی آنها را در موج های اپتیکی نانومتری کاهش می دهد و گسترش میدان های موضعی را تا چندین مرتبه بزرگی بهبود می دهد. همچنین باعث می شود مدهای انتشاری پلاسمون پلاریتون های سطحی (میدان الکتریکی عرضی (TE) و یا میدان مغناطیسی عرضی (TM) ) در صفحات عمود بر جهت انتشار محصور شوند.
نمایی از ایجاد اجزای میدان الکترومغناطیسی پلاسمون های سطحی در سطح تماس فلز-دی الکتریک
پلاسمون پلاریتون های سطحی ( Surface Plasmon Polariton )
پلاسمون پلاریتون های سطحی ( Surface Plasmon Polariton )
پلاسمون پلاریتون های سطحی ( Surface Plasmon Polariton )
پلاسمون پلاریتون های سطحی ( Surface Plasmon Polariton ) بررسی حد پراش ( Diffraction limit) این معادله در تشابه با سطح فرمی (سطح فرمی سطح فرضی انرژی پتانسیل یک الکترون در داخل یک جامد بلورین است)، سطح عدد موج(Surface Wave Number) نامیده می شود که یک کره سه بعدی در فضای K را تبیین می کند. زمانی که kj حقیقی باشد مقادیر بین k≤kj≤k را می پذیرد. این یعنی محدوده فرکانس∆k ، برابرk 2 است (∆k=2nk0).
پلاسمون پلاریتون های سطحی ( Surface Plasmon Polariton ) بررسی حد پراش ( Diffraction limit)
نتیجه گیری و آینده علم پلاسمونیک میل روز افزون به شاخه پلاسمون های سطحی از علم را می توان بیشتر به شکستن و پایین آوردن حد پراش نور و کوچکتر کردن آن از مرتبه طول موج نسبت داد. کاربرد امواج پلاسمون پلاریتون سطحی و پلاسمون سطحی موضعی و روند استفاده از آنها روز به روز شتاب بیشتری می گیرد. در زمینه ساخت نیز ساخت ادواتی غیر فعال (passive) (یعنی ادواتی که در آنها توانی تولید نمی شود) مانند موجبر، کوپلر، فیلتر و ... و ادوات فعال (active) (یعنی ادواتی که در آنها توان تولید می شود) مانند تقویت کننده، تشدید کننده، سوئیچ، مدولاتور و ... در حال انجام و حتی بهینه سازی است. از این علم می توان در مدارهای الکترونیکی و اپتیکی به طور جداگانه استفاده کرد به نحوی که با انتشار هم زمان امواج در هر یک از این زمینه ها و انتشار امواج پلاسمونیکی، اختلالی در انتقال داده هریک از امواج وارد نشود.
نتیجه گیری و آینده علم پلاسمونیک با توجه به اثر گذار بودن تغییرات اندک ثابت دی الکتریک اطراف نانو ذره یا سطح فلزی در ساختارهای پلاسمونیکی، از این قابلیت می توان برای ساخت حسگرهای زیستی در تشخیص توده های سرطانی در بافت های معیوب و تغییرات در محیط های حامل باکتری استفاده کرد. تحقیقات حسگرهای زیستی مربوط به نانوذرات و پلاسمونیک، روش هایی را برای تحلیل زیستی ( Bio Analytical) معرفی می کند که بر پایه مفاهیم پلاسمونیک در لایه های نازک فلزی و نانوتکنولوزی مولکولی استوار است. با توجه به پایه های کلی بحث پلاسمونیک چنین برمی آید که به دلیل وجود مفاهیمی از فیزیک اپتیک و میدان و امواج در غالب این رشته ها و گرایش های مربوطه به عنوان بحث داغ آنها شناخته می شود. البته در تحقیقات اخیر(2012-2010) پلاسمونیک، نانو ذرات را به سمت ذرات دوجنسی پیش برده اند که شامل هسته ای از یک فلز و غشای اطراف آن از جنس فلز دیگر می باشد.